atp edition Energie sparen in geregelten Pumpensystemen (Vorschau)

9 / 2013

55. Jahrgang B3654

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH

Automatisierungstechnische Praxis

Energie sparen in geregelten

Pumpensystemen | 26

Standardprofile für

elektrische Geräte | 34

Bewertung industrieller

Funklösungen | 44

Smart Meter Gateway als

Vorbild für die Automation | 58

atp edition – die Referenzklasse

der Automatisierungstechnik

EDITORIAL

Wertschöpfende Innovationen

flächendeckend umsetzen

Eine hohe Innovationsfähigkeit ist existenziell für die Prozessindustrie in

Deutschland. Dies betrifft nicht nur das Kerngeschäft der verfahrenstechnischen

und chemischen Prozesse, sondern auch die unterstützenden Gewerke. Die Automatisierungstechnik

als wesentlicher Enabler für Operational Excellence muss

selbst eine führende Rolle als Innovationstreiber übernehmen.

Die größte Herausforderung besteht allerdings darin, Innovationen flächendeckend

umzusetzen. Denn aufgrund der langen Lebensdauer einer verfahrenstechnischen

Anlage finden wir in der Regel eine heterogene Landschaft verschiedener

Automatisierungsgrade und -systeme unterschiedlicher Generationen und Releases

vor. Betreiber meiden Eingriffe in eine laufende Anlage, sodass nur die kurzen

Abstellzeiten beispielsweise für Upgrades genutzt werden können. Selbst etablierte

Technologien erfahren keinen homogenen Durchdringungsgrad. So gibt es auch

heute noch pneumatische Mess-und Regelungstechnik.

Die Basis für die Implementierung einer neuen Technologie ist somit nicht gegeben

und muss erst durch weitere Investitionen geschaffen werden. Darüber hinaus

sind die Betreiber nicht immer bereit, für einen potenziellen Nutzen in der Zukunft

die notwendigen personellen Ressourcen zur Implementierung innovativer Lösungen

zur Verfügung zu stellen. Die Umsetzungsrate von neuen wertschöpfenden

Technologien könnte also höher sein.

Auf der anderen Seite steht der Automatisierer einem Innovations-Tsunami gegenüber.

Getrieben durch die IT- und Consumer-Elektronik werden auch in der

Automatisierung unzählige Innovationen als Produkte in einem sehr frühen Stadium

in den Markt gedrängt, teils von neuen unbekannten Lieferanten. Für den

Anwender stellt sich die Frage: Welcher Trend und welches Produkt bedeutet wirklichen

Mehrwert für den internen Kunden, und welcher Lieferant wird sich langfristig

am Markt behaupten können? Daneben gilt es, mögliche unerwünschte Folgen

abzuschätzen, wie die kurzen Migrationszyklen durch Standard-IT-Komponenten.

Der Betreiber erwartet Investitionssicherheit und verlässlich abgeschätzte

Folgekosten. Auch die Automation Security wird immer drängender und die Lösungen

müssen den hohen Sicherheits- und Verfügbarkeitsanforderungen in der

Prozessindustrie genügen. Es bedarf also eines umfassenden Selektions- und Validierungsprozesses,

der die Umsetzungsgeschwindigkeit hemmt.

Um diesen Herausforderungen und speziellen Randbedingungen zu begegnen,

benötigt die Prozessindustrie eine eigene, hohe Beurteilungs- und Implementierungskompetenz.

Nur damit wird es gelingen, auf die richtigen Technologien und

Lieferanten zu setzen und die Umsetzung effizient beim Betreiber zu realisieren.

Diese Kompetenz hilft auch dabei, mit den Lieferanten die Herausforderungen zu

definieren, die mit neuen Innovationen gelöst werden könnten – und nicht die

Herausforderungen zu finden, die zu angebotenen Innovationen passen. Natürlich

ist die Standardisierung gerade der Schnittstellen zwischen Komponenten ein

wichtiges Element für langlebige und abwärtskompatible Lösungen. Auch die Namur

und Hochschulen könnten an dieser Stelle eine wichtige Rolle spielen, noch

stärker die wirklichen Bedarfe und Randbedingungen für innovative Lösungen zu

formulieren. Gerade bei der Umsetzung von Innovationen ist Effizienz und Effektivität

gefragt, um kurz- und langfristig die Wettbewerbsfähigkeit zu sichern.

DR. ANDREAS

WERNSDÖRFER,

BASF SE, Leiter Automatisierung

und Elektrotechnik

atp edition

9 / 2013

3

INHALT 9 / 2013

FORSCHUNG

6 | Dreifacherfolg für Deutsche Studenten

beim internationalen Wettbewerb iCan 2013

3D-Technologien stärker für Prozesstechnik nutzen

Call for atp experts – Thema: Advanced Process Control

7 | Hochschule Harz will Geschwindigkeitsrekord

VERBAND

8 | GMA richtet Weltkongress der Regelungstechnik in Berlin aus –

mehr als 2 500 Experten erwartet

NE 138: Prozessleittechnik und Explosionsschutz

Ausfallmechanismen in der Elektronik beherrschen

9 | Neue Fachgruppe „Vernetzte Sicherheit“

Cenelec: DKE-Experte ist Vizepräsident Technik

BRANCHE

10 | Der Markt für Automatisierungstechnik

in der Stromversorgung wächst weiter

Richtlinie zur IT-Security in der industriellen Automation:

Anwendungsbeispiel LDPE-Anlage

VDI 3694: Lasten- und Pflichtenheft für den Einsatz

von Automatisierungssystemen

11 | Großaufträge verschaffen den Bestellungen

in der Elektroindustrie ein deutliches Plus

INTERVIEW

12 | „Ich weiß jetzt, wie ich mich bei einem

Vorstellungsgespräch verhalten muss“

GRISHMA RAJ PANDEYA, STUDENT DER ELEKTRO- UND COMPUTERTECHNIK

IM ZWEITEN STUDIENJAHR AN DER JACOBS UNIVERSITY BREMEN IM INTERVIEW MIT atp edition

4

atp edition

9 / 2013

PRAXIS

14 | Offene Architektur ermöglicht

maßgeschneiderte Steuerungssoftware

für die CNC-Maschinen

16 | Mit Hilfe additiver Verfahren entstehen

Endprodukte: Potenziale von

Rapid Manufacturing besser nutzen

18 | Roboter simulieren Sinneswahrnehmungen

für angehende Chirurgen sehr realitätsnah

20 | Teamarbeit von Konstruktion und

Dokumentation garantiert Risikobeurteilung

aus einem Guss

22 | Wireless vom Feld in die Welt: Sicher drahtlos

kommunizieren im Automatisierungsumfeld

Produkte,

Systeme

und Service

für die

Prozessindustrie?

Natürlich.

HAUPTBEITRÄGE

26 | Energie sparen in geregelten

Pumpensystemen

W. SCHICKETANZ

34 | Standardprofile für elektrische Geräte

J. GREIFENEDER, D. SCHULZ UND P. RODRIGUEZ

44 | Bewertung industrieller Funklösungen

U. MEIER UND L. RAUCHHAUPT

58 | Smart Meter Gateway als

Vorbild für die Automation

A. SIKORA

System 800xA 5.1 hilft Anlagen

noch effizienter zu betreiben

und die Produktivität und Rentabilität

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gesteigerte Bediener-Effizienz,

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RUBRIKEN

3 | Editorial

66 | Impressum, Vorschau

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FORSCHUNG

Dreifacherfolg für Deutsche Studenten beim

internationalen Wettbewerb iCan 2013

Über einen großen Erfolg können sich die drei Siegerteams

des VDE/BMBF-Wettbewerbs Cosima freuen: Sie

belegten auch die ersten Plätze beim internationalen Studentenwettbewerb

iCan 2013 in Barcelona, der sich rund

um das Thema Mikrosystemtechnik dreht. Dort traten 19

Teams aus China, Taiwan, Japan, Singapur, Hongkong, Neuseeland,

USA, Schweiz und Deutschland vor die internationale

Jury. Der erste Preis und 2000 US-Dollar gingen an

Franziska Emmerich, Caroline Schultalbert, Florian Bansemer

und Tizian Schneider vom Team Quasimodo der

Universität des Saarlandes. Sie überzeugten mit einem Projekt,

das die Stellung der Wirbelsäule mittels 3-D Winkelsensoren

erfasst und zur Rückengesundheit beitragen soll.

Den zweiten Preis und 1000 Dollar erhielten Ye Ji Park,

Simone Rudolph, Johannes Bilz und Tobias Fritzsche von

der TU Darmstadt, die mit einem intelligenten Brems- und

Identifikationssystem die Sicherheit von Kinderwagen erhöhen

wollen. Mit dem Projekt xPanel landeten Sabrina

Lederer, Katja Meinel, Tommy Müller, Björn Kretschmar,

Sebastian Stelzner und Michael Schramm von der Westsächsischen

Hochschule Zwickau auf Platz Drei. Sie präsentierten

ein intelligentes System zur Beleuchtung von

Gehwegen und freuten sich über 500 Dollar Preisgeld.

iCan ist eine chinesische Initiative, die im Rahmen der

internationalen Tagung Transducers stattfindet. Qualifizieren

können sich jeweils die drei Siegerteams der Wettbewerbe

aus den Teilnehmerländern, unter anderem

Deutschland mit dem Wettbewerb Cosima. In diesem

Wettbewerb, den der VDE und das Bundesministerium für

Bildung und Forschung (BMBF) ausrichten, entwickeln

Studierende der Elektro- und Informationstechnik sowie

Interessierte anderer Fachrichtungen neuartige Anwendungen

für Mikrosysteme.

(gz)

VDE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK

INFORMATIONSTECHNIK E.V.,

Stresemannallee 15, D-60596 Frankfurt am Main,

Tel. +49 (0) 69 630 80, Internet: www.vde.com

3D-Technologien stärker für Prozesstechnik nutzen

Die 3D-Technologien sollten schneller und intensiver

für die Prozesstechnik genutzt werden. Diese Forderung

erhebt der temporäre Arbeitskreis Virtual Reality &

Laserscanning von Processnet, der gemeinsamen Initiative

von Dechema und VDI-GVC. In einer Stellungnahme

kritisiert der Arbeitskreis, dass der 3D-Einsatz in Deutschland

zu langsam voranschreite. Es bestehe akuter Entwicklungsbedarf

hinsichtlich der Entwicklung neutraler offener

Formate und Datenmodelle, beim Datenmanagement,

bei Prozessmodellen und bei Mixed- beziehungsweise

Augmented-Reality-Anwendungen. Noch sei der Entwicklungsrückstand

gegenüber anderen Weltregionen aufhol-

bar. Forschung und Entwicklung in Deutschland zeigten

zwar in die richtige Richtung. Die Zeit bis zur Markteinführung

für in der Realität anwendbare Applikationen

oder neutrale Schnittstellen sei aber unbefriedigend. Erforderlich

sei eine „signifikante Erhöhung“ der Anzahl

der Forschungsprojekte und ihre Beschleunigung. (gz)

DECHEMA, GESELLSCHAFT FÜR CHEMISCHE

TECHNIK UND BIOTECHNOLOGIE E.V.,

Theodor-Heuss Allee 25,

D-60486 Frankfurt am Main,

Tel. +49 (0) 69 756 40, Internet: www.dechema.de

Call for atp experts – Thema: Advanced Process Control

DIE AUSGABE 56(3) DER ATP EDITION im

März 2014 stellt praxisrelevante Ansätze

zur effizienten Prozessführung und -überwachung

vor. Steigende Anforderungen an

Wirtschaftlichkeit und Sicherheit stellen

auch höhere Anforderungen an die Ausführung

der Regelungstechnik. Bereits über

die Überwachung und Optimierung bestehender

Basisregelkreise durch Reglermanagementsysteme

kann erhebliches Potential

gehoben werden.

Wo dies nicht ausreicht, sind höhere Regelund

Optimierungsverfahren gefragt. Hier

liegen die Herausforderungen in der Integration

dieser modernen Verfahren in Automatisierungs-

und Prozessleitsysteme, im

nachhaltigen Transfer in die Betriebe, der

effizienten Anpassung an unterschiedliche

Betriebsbedingungen und der Pflege sowie

der Nachführung bei Anlagenänderungen.

Wir bitten Sie bis zum 15. Oktober zu diesem

Themenschwerpunkt einen gemäß der

Autorenrichtlinien der atp edition ausgearbeiteten

Hauptbeitrag per E-Mail an urbas@di-verlag.de

einzureichen.

Die atp edition ist die hochwertige Monatspublikation

für Fach- und Führungskräfte der

Automatisierungsbranche. In den Hauptbeiträgen

werden die Themen mit hohem wissenschaftlichem

und technischem Anspruch

und vergleichsweise abstrakt dargestellt.

Alle Beiträge werden von einem Fachgremium

begutachtet. Sollten Sie sich selbst aktiv

an dem Begutachtungsprozess beteiligen

wollen, bitten wir um kurze Rückmeldung.

Für weitere Rückfragen stehen wir Ihnen

selbstverständlich gern zur Verfügung.

Ihre Redaktion der atp edition: Leon Urbas,

Anne Purschwitz, Aljona Hartstock

CALL FOR

Aufruf zur Beitragseinreichung

Thema: Advanced Process Control

Kontakt: urbas@di-verlag.de

Termin: 15. Oktober 2013

6

atp edition

9 / 2013

Hochschule Harz will

Geschwindigkeitsrekord

WELTREKORD ANGEPEILT: Dipl.-Ing. Mladen Joncic,

Dr. Matthias Haupt, Studentin Sabrina Hoppstock

und Prof. Dr. Ulrich Fischer-Hirchert (v.l.n.r.) vom

Fachbereich Auto matisierung und Informatik der

Hochschule Harz erwarten einen Geschwindigkeitsweltrekord

bei der Datenübertragung. Bild: HS Harz

Beim „International Students and Young Scientists

Workshop“ des IEEE (Institute of Electrical and Electronics

Engineers) in der sächsischen Oberlausitz zeigten

Nachwuchswissenschaftler der Hochschule Harz innovative

Entwicklungen des Photonic Communications Lab.

Den Höhepunkt bildete die Präsentation von Mladen Joncic,

der neueste Forschungsergebnisse im Bereich der hochbitratigen

Datenübertragung mittels Kunststofflichtwellenleiter

vorstellte. Ihm gelang es, ein Bauteil im Labormaßstab

zu entwickeln, das mit sehr geringen Verlusten die

Anwendung des Wellenlängenmultiplexverfahrens für

vier Farben durch sichtbare Halbleiter-Laser ermöglicht.

Diese Ergebnisse sind innerhalb des Verbundprojektes

Hope (Hochgeschwindigkeitsnetze über optische Polymerfasern)

an der Hochschule Harz entstanden.

Projektleiter Dr. Matthias Haupt zeigte sich begeistert:

„Unser Ziel ist es, in Zukunft Datenraten über 10 Gbit/s

zu erreichen. Trotz des frühen Stadiums ist das vorgestellte

Projekt so vielversprechend und wohl weltweit

einmalig, dass wir damit rechnen, einen neuen Geschwindigkeitsrekord

für Kunststofflichtwellenleiter aufzustellen.“

Der Ingenieur erklärte auch Hintergründe und

Anwendungsbereiche: „Solche Projekte bringen überall

dort Nutzen, wo hohe Datenraten gebraucht werden und

nur kurze Entfernungen zu überbrücken sind.“

Bei dem IEEE-Workshop stellte die Hochschule Harz als

einzige Fachhochschule eigene Beiträge vor und war mit

insgesamt fünf Präsentationen durch das Photonic Communications

Lab überdurchschnittlich stark vertreten. Bei

der Veranstaltung, die von Instituten der TU Dresden und

der TU Wroclaw organisiert und durchgeführt wurde,

trafen sich über 40 junge Wissenschaftler aus Europa, die

unter dem Titel „Photonics and Microsystems“ über neueste

Entwicklungen im Bereich der optischen Technologien,

der Informations- und Kommunikationstechnik sowie

der Mikrosysteme diskutierten.

(gz)

HOCHSCHULE HARZ,

Friedrichstr. 57-59, D-38855 Wernigerode,

Tel.+49 (0) 3943 65 90, Internet: www.hs-harz.de

VERBAND

GMA richtet Weltkongress der Regelungstechnik

in Berlin aus – mehr als 2 500 Experten erwartet

Der 21. Weltkongress der Regelungs- und Automatisie

rungstechnik wird im Jahr 2020 in Berlin stattfinden.

So entschied das Council der International Federation of

Automatic Control (IFAC) Ende Juli in Zürich. Dabei

setzte sich Deutschland mit der VDI/VDE-Gesellschaft

Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) in der End

DAS DEUTSCHE TEAM freute sich nach der Entscheidung in Zürich über

den Zuschlag für den Weltkongress: Prof. Detlef Zühlke, Prof. Sandra Hirche,

Prof. Ulrich Jumar, Prof. Frank Allgöwer, Prof. Stefan Kowalewski, Prof. Lars

Grüne, Prof. Rolf Findeisen, Prof. Birgit Vogel-Heuser, Dieter Westerkamp,

Prof. Jörg Raisch, Prof. Thomas Meurer (v.l.n.r). Bild: GMA

ausscheidung gegen Japan und die USA durch. Im Juli

2020 werden in Berlin über 2500 Experten der Regelungsund

Automatisierungstechnik aus aller Welt erwartet.

„Dies ist ein gutes Zeichen für die Forschung, die Leh

re und die Industrie der Regelungs- und Automatisie

rungstechnik in Deutschland“, so Dieter Westerkamp. Der

GMA-Geschäftsführer ergänzt: Diese Veranstaltung „ist

ein wenig als ‚Weltmeisterschaft‘ unserer Fachdisziplin

anzusehen, die in sieben Jahren in Deutschland ausgetra

gen wird – das wird unser Fachgebiet und unsere Com

munity sicher fördern.“

Damit wird der Weltkongress zum zweiten Mal nach

1987 in Deutschland ausgetragen. Damals kamen rund

1500 Teilnehmer nach München. Bis 2020 werden noch

die Kongresse 2014 in Kapstadt (Südafrika) und 2017 in

Toulouse (Frankreich) stattfinden.

Mit der Entscheidung für Berlin als Austragungsort

steht auch fest, dass Deutschland von 2017 bis 2020 den

Präsidenten der IFAC stellen wird. Dazu wurde Prof. Dr.-

Ing. Frank Allgöwer (Universität Stuttgart) gewählt, der

Deutschland bereits seit längerer Zeit im höchsten Gre

mium der IFAC vertritt.

(gz)

VDI/VDE-GESELLSCHAFT MESS- UND

AUTOMATISIERUNGSTECHNIK (GMA)

VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE E.V.,

VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf,

Tel. +49 (0) 211 621 40, Internet: www.vdi.de

NE 138: Prozessleittechnik und Explosionsschutz

Neben dem durch gerätespezifische Normen zum Explo

sionsschutz geregelten Bereich werden Explosions

schutz-Maßnahmen auch mit Mitteln der Prozessleittech

nik erreicht oder überwacht. Die neue Namur-Empfehlung

NE 138 beschreibt Anforderungen an PLT-Einrichtungen

zur Realisierung von Explosionsschutzmaßnahmen. Sie

baut auf die Gefährdungsbeurteilung zum Explosions

schutz auf Basis der entsprechenden Technischen Regeln

zur Betriebssicherheit auf. Die Beispiele in NE 138 zielen

darauf, neben SIL-bewerteten Maßnahmen auch andere

bewährte Verfahren zu betrachten. Es wurde Wert darauf

gelegt, dass sich die Beispiele in der NE 138 an den Grund

sätzen des zukünftigen Teils 5 der TRBS 2152 orientieren.

NAMUR-GESCHÄFTSSTELLE,

c/o Bayer Technology Services GmbH,

Gebäude K 9, D-51368 Leverkusen,

Tel. +49 (0) 214 307 10 34, Internet: www.Namur.de

Ausfallmechanismen in der Elektronik beherrschen

Unerwartetes Verhalten von Embedded Systems kann

erhebliche Auswirkungen auf Menschen und Umwelt

haben. Systematische Entwicklungsfehler, zufällige

Hardwarefehler oder der Einsatz erprobter elektronischer

Baugruppen in neuen Umgebungen mit nicht beachteten

Einflussfaktoren können Gründe für den folgenreichen

Ausfall elektronischer Baugruppen sein. Die VDIKonfe

VDI-Konfe

renz ‚Smart Systems Reliability‘ am 25. und 26. Septem

ber 2013 in Freiburg diskutiert daher neue Möglichkeiten,

um die Zuverlässigkeit und funktionale Sicherheit von

elektronischen Baugruppen zu erhöhen. So wird unter

anderem thematisiert, dass Fachleute nur durch genaue

Kenntnis von Ausfallmechanismen, Fehlerquellen und

Einflussfaktoren die Zuverlässigkeit von Smart Systems

bereits beim Design erhöhen und mittels abgestimmter

Teststrategien sicherstellen können. Diskutiert wird auch

die gesetzlich vorgeschriebene und technisch notwen

dige Redundanz bei sicherheitskritischen Systemen. Wei

tere Informationen unter www.vdi.de/reliability. (gz)

VDI WISSENSFORUM GMBH,


Tel. +49 (0) 211 621 42 01,

Internet: www.vdi-wissensforum.de

8

atp edition

9 / 2013

Neue Fachgruppe

„Vernetzte Sicherheit“

Auf der konstituierenden Sitzung

der ZVEI-Fachgruppe ‚Vernetzte

Sicherheit‘ in der ZVEI-Arbeitsge

meinschaft Errichter und Planer wur

de Norbert Stühmer, Bosch Sicher

heitssysteme, zum Vorsitzenden ge

wählt. Stellvertreter wurde Jochen

Sauer, Axis Communications.

„Die digitale Vernetzung aller si

cherheitstechnischen Gewerke

nimmt rasant zu. Zum Einsatz kom

men insbesondere Komponenten aus

der IT-Technik und immer mehr Soft

ware. Wir werden deshalb Informati

onen und Hilfestellungen zur ein

heitlichen Vernetzung von Sicher

heitsanlagen erarbeiten“, erläutert

Stühmer die Ziele der Fachgruppe.

Künftig sollen Schnittstellendefiniti

onen, Datenschutz und IT-Sicherheit

sowie rechtliche Rahmenbedin

gungen und Normen zur Schaffung

von Planungssicherheit im Mittelpunkt der Arbeit stehen.

Die Fachgruppe erwartet veränderte Anforderungen an

das Planen und Errichten von Sicherheitsanlagen, an In

standhaltung sowie Aus- und Weiterbildung. „Errichter

und Planer benötigen künftig wesentlich mehr IT- und

Softwarekenntnisse“, beschreibt Stühmer die Auswir

kungen der Digitalisierung.

(gz)

ZVEI – ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK-

UND ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V.,

Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Main,

Tel. +49 (0) 69 630 20, Internet: www.zvei.org

NORBERT

STÜHMER will

mit der ZVEI-Fachgruppe

„Vernetzte

Sicherheit“ Informationen

und

Hilfestellungen

zur einheitlichen

Vernetzung von

Sicherheitsanlagen

erarbeiten. Bild: ZVEI

Cenelec: DKE-Experte ist

Vizepräsident Technik

Uwe Kampet, Normungsexperte der DKE Deutsche Kom

mission Elektrotechnik Elektronik Informationstech

nik im DIN und VDE (VDE/DKE), ist zum neuen Vizeprä

sidenten Technik des Europäischen Komitees für Elektro

technische Normung Cenelec gewählt worden. Er tritt zum

1. Januar 2014 die Nachfolge des bisherigen Amtsinhabers

Carlo Masetti aus Italien an.

In seiner zweijährigen Amtszeit besteht seine Hauptauf

gabe im Vorsitz des technischen Lenkungsausschusses

(BT) des Cenelec. Uwe Kampet ist bei der BSH Bosch Sie

mens Hausgeräte GmbH tätig und seit 2008 stellvertre

tender Vorsitzender des Technischen Beirats Internationa

le und Nationale Koordinierung der VDE/DKE. (gz)

DKE DEUTSCHE KOMMISSION ELEKTROTECHNIK

ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK IM DIN UND VDE,

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9 / 2013

9

BRANCHE

Der Markt für Automatisierungstechnik

in der Stromversorgung wächst weiter

Die Investitionen der Stromerzeuger in Automatisierungstechnik

werden weiter wachsen. Zu diesem

Ergebnis kommt eine aktuelle Marktstudie der ARC Advisory

Group über Automatisierungs- und Softwareinvestitionen

der stromerzeugenden Industrie.

Nach der Krise hätten die Aktivitäten der Stromerzeuger

seit 2010 wieder zugenomen. In den entwickelten

Ländern seien die Investitionen in die Modernisierung

der Netze geflossen, während aufstrebende Länder ihre

Stromversorgung ausbauen, China verfolge hier ambitionierte

und langfristige Projekte. Hinzu komme ein Wiederaufleben

der Aktivitäten bei Kraftwerksprojekten,

besonders bei Gas- und Dampfkraftwerken (GuD). In den

entwickelten Ländern wird ARC zufolge der Schwerpunkt

auf der Steigerung der Effizienz und der Reduzierung

der Emissionen liegen. Die Schwellenländer, insbesondere

China, befinden sich im Technologiewechsel von

Kohlekraftwerken zu Kernkraftwerken und regenerativer

Stromerzeugung aus Wind- und Sonnenenergie. In

Deutschland und der Schweiz werde infolge der Reaktorkatastrophe

in Fukushima Kernkraft durch neue GuD-

Kraftwerke und regenerative Stromerzeugung ersetzt.

Die höchsten Wachstumsraten erwartet ARC bei der Stromerzeugung

in Asien und Lateinamerika. Schon 2016 werde

auf Asien ein fast ebenso hoher Marktanteil entfallen

wie auf die Emea-Region (Europa, Mittlerer Osten und

Afrika). In Lateinamerika sei Brasilien der größte Markt für

Automatisierungstechnik. Die Emea-Länder und Nordamerika

dürften bei der Automatisierungstechnik für die

Stromversorgung nur unterduchschnittlich wachsen. (gz)

ARC ADVISORY GROUP,

Boston, USA, 3 Allied Drive, Dedham, MA 02026,

Tel. +1 781 471 11 75, Internet: www.arcweb.com

Richtlinie zur IT-Security in der industriellen

Automation: Anwendungsbeispiel LDPE-Anlage

Seit Juni ist die Richtlinie VDI/VDE 2182 Blatt 3.3 Informationssicherheit

in der industriellen Automatisierung

– Anwendungsbeispiel des Vorgehensmodells in der Prozessautomation

für Betreiber – LDPE-Anlage erhältlich.

Das allgemeine Vorgehensmodell der Richtlinie VDI/

VDE 2182 Blatt 1 wird in diesem Dokument aus Sicht des

Betreibers mit dem Ziel bearbeitet, die Relevanz von

Blatt 1 und dessen Praktikabilität unter Beweis zu stellen.

Blatt 3.3 beschreibt die in der Richtlinie VDI/VDE 2182

Blatt 1 definierte Vorgehensweise und deren Randbedingungen

aus der Sicht eines Betreibers anhand einer LDPE-

Anlage als konkretem Beispiel. Die Anwendung des Vorgehensmodells

führt zu angemessenen Schutzmaßnah-

men und zur Dokumentation der Security-relevanten Eigenschaften

der LDPE-Anlage. Weitere Blätter beschreiben

die Anwendung des Vorgehensmodells aus VDI/VDE 2182

Blatt 1 sowohl für die Fabrikautomation (VDI/VDE 2182

Blatt 2.1, Blatt 2.2, Blatt 2.3) als auch für die Prozessautomation

(Blatt 3.1 und Blatt 3.2) aus Sicht des Herstellers,

des Integrators/Maschinenbauers und des Betreibers. (gz)





Tel. +49 (0) 211 621 40, Internet: www.vdi.de

10

VDI 3694: Lasten- und Pflichtenheft für

den Einsatz von Automatisierungssystemen

Die Auslegung und Realisierung von Automatisierungssystemen

im Anlagenbau wird aufgrund zunehmender

Anforderungen immer komplexer. Umso wichtiger ist die

genaue Spezifikation des zu realisierenden Automatisierungssystems

im Vorfeld. Hierüber müssen sich Besteller

beziehungsweise Betreiber, Planer und Lieferant sehr genau

abstimmen. Die neue Richtlinie VDI/VDE 3694 stellt

die wesentlichen Aspekte zusammen, die bei Planung,

Realisierung und Betrieb von Automatisierungssystemen

von Bedeutung sein können und gibt einen Gliederungsvorschlag

für Lasten- und Pflichtenhefte.

Die technischen und wirtschaftlichen Anforderungen

an das Automatisierungssystem werden in der Richtlinie

ebenfalls festgelegt. Die Zusammenarbeit zwischen Betreiber,

Planer und Lieferant wird deutlich vereinfacht.

atp edition

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Mit der VDI/VDE 3694 wird die Investitionssicherheit für

den Betreiber erhöht, da alle möglichen Varianten und

Anforderungen an die Automation bereits im Vorfeld berücksichtigt

und spezifiziert werden.

Die Richtlinie ist als Entwurf beim Beuth Verlag in Berlin

erhältlich. Einsprüche sind elektronisch bis 30. September

2013 über das Einspruchsportal unter www.vdi.

de/einspruchsportal möglich.

(gz)





Tel. +49 (0) 211 621 40,

Internet: www.vdi.de

Großaufträge verschaffen den Bestellungen

in der Elektroindustrie ein deutliches Plus

Stark getrieben durch Großaufträge sind die Bestellungen

in der deutschen Elektroindustrie im Juni um

11,7 Prozent gegenüber dem Vorjahr gestiegen, wie der

Branchenverband ZVEI mitteilte. Aus dem Inland gingen

4,3 und aus dem Ausland 17,9 Prozent mehr Aufträge ein

als vor einem Jahr. Die Bestellungen aus dem Euroraum

legten um 13, die aus Drittländern um 20,5 Prozent zu.

„Aufgrund des kräftigen Zuwachses im Juni befindet

sich nunmehr auch die Gesamtheit der im ersten Halbjahr

2013 eingesammelten Aufträge im Plus“, sagte ZVEI-

Chefvolkswirt Dr. Andreas Gontermann.

So übertrafen die ersten sechs Monate den Vorjahreswert

um 1,6 Prozent. Einem Rückgang im Inland um 1,2

steht ein Anstieg im Ausland um 4,2 Prozent gegenüber.

Aufträge aus dem Euroraum legten zwischen Januar und

Juni um 0,3 Prozent zu. Aus Ländern außerhalb des Währungsraums

gingen dagegen 6,6 Prozent mehr Bestellungen

ein. „Alles in allem bleibt der Kurs der Auftragseingänge

von großen Schwankungen geprägt und damit

noch recht undurchsichtig“, so Gontermann. Die preisbereinigte

Produktion lag im Juni dieses Jahres 3,3 Prozent

unter dem Vorjahreswert. Kumuliert von Januar bis

Juni sank sie um 4,1 Prozent. Die Erlöse der Elektrounternehmen

beliefen sich im Juni 2013 auf 14,3 Milliarden

Euro (minus 3,4 Prozent gegenüber dem

Vorjahr). Das ergab sich aus einem Minus

von 5,2 Prozent im Inland, einem

Rückgang um 10,8 Prozent in der Eurozone

und einem Plus von 4,6 Prozent in

den übrigen Märkten.

Nach zwei Anstiegen in den beiden

Vormonaten hat das Geschäftsklima in

der deutschen Elektroindustrie im Juli

leicht nachgegeben. So bewerten 27

Prozent der Firmen ihre gegenwärtige

Situation als gut, 52 Prozent als stabil

und 21 Prozent als schlecht. Gleichzeitig

gehen 26 Prozent der deutschen

Elektrounternehmen von einer anziehenden

Geschäftstätigkeit in den näch-

Bild: ZVEI

sten sechs Monaten aus, 65 Prozent der Firmen rechnen

mit gleichbleibenden Aktivitäten, neun Prozent der Betriebe

erwarten Rückgänge.

(gz)

ZVEI – ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK-

UND ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V.,

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Tel. +49 69 630 20, Internet: www.zvei.org

DR. ANDREAS

GONTERMANN:

„Aufgrund des

kräftigen Zuwachses

im Juni befindet sich

nunmehr auch die

Gesamtheit der im

ersten Halbjahr 2013

eingesammelten

Aufträge im Plus.“

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INTERVIEW

„Ich weiß jetzt, wie ich mich

bei einem Vorstellungsgespräch

verhalten muss“

Grishma Raj Pandeya, Student der Elektro- und Computertechnik im zweiten

Studienjahr an der Jacobs University Bremen im Interview mit atp edition

Die Jacobs University Bremen bietet gemeinsam mit der Euro Engineering AG ein Mentoring-Programm

an, das Studenten den Einstieg in das Berufsleben erleichtern soll. Mitarbeiter des Unternehmens unterstützen

die Studenten als Mentoren bei der Suche nach dem passenden Beruf, stellen Kontakte zu anderen

Firmen her und geben Tipps zur Bewerbung. Der 22-jährige Nepalese Grishma Raj Pandeya ist einer der

Studenten, die an dem Pilotprojekt teilgenommen haben. In atp edition erzählt er von seinen Erfahrungen.

atp edition: Warum haben Sie sich dazu entschieden, in

Deutschland zu studieren?

PANDEYA: Ich wollte an einer Universität studieren, die

enge Verbindungen zur Industrie und zu Forschungseinrichtungen

hat. Außerdem haben einige meiner Freunde

bereits an der Jacobs University studiert. Das internationale

Umfeld und die kleinen Klassen haben mir gefallen.

Außerdem hat Deutschland eine vielschichtige Kultur und

Geschichte. Daher schien es mir eine gute Idee, hier zu

studieren und bisher hat Deutschland mich nicht enttäuscht.

atp edition: Was gefällt beziehungsweise gefällt Ihnen

nicht am deutschen Bildungssystem im Allgemeinen und

an Ihrem Studiengang im Besonderen?

PANDEYA: Mein Studiengang an der Jacobs University dauert

drei Jahre. Das hat gleichzeitig Vor- und Nachteile: Gut

daran ist, dass ich das Studium früher beenden kann als

meine Freunde, die an amerikanischen Colleges studieren.

Ich kann also sehr früh ins Berufsleben einsteigen – falls

ich mich dazu entscheide; das ist ein Vorteil, denke ich.

Andererseits muss ich die gleichen Inhalte lernen, wie meine

Freunde in Amerika, und das in drei statt in vier Jahren.

Das nimmt viel Kraft und Zeit in Anspruch; es bleibt wenig

Freizeit übrig.

Im deutschen Bildungssystem werden Studenten dazu ermutigt,

sich aktiv an der Forschung zu beteiligen. Sie können

aus einer Vielzahl an Praktika in Deutschland und in

ganz Europa wählen. Die Praktika während des Sommers

helfen ihnen dabei, ihre Interessen zu kennen und entsprechende

Berufserfahrung zu sammeln.

atp edition: Sind Sie der Meinung, dass Ihr Studiengang

ausreichend Praxisbezug hat?

PANDEYA: Parallel zum theoretischen Unterricht haben

wir meistens Computerkurse; das Verhältnis zwischen

Theorie und Praxis ist also ausgeglichen. Man muss bedenken,

dass Ingenieurwesen ein sehr großer Bereich ist;

wir können im Studium nicht alles lernen, was wir im späteren

Berufsleben wissen müssen. Stattdessen lehrt uns

die Universität wie wir mit anspruchsvollen Situationen

zurechtkommen.

Meine Kommilitonen absolvieren Praktika in unterschiedlichen

Unternehmen und es macht ihnen Spaß. Jeder von

uns arbeitet an verschiedenen Projekten mit. Ich denke

daher, dass wir durchaus Fähigkeiten erwerben, die wir in

unseren späteren Berufen benötigen werden.

atp edition: Wie haben Sie von dem Mentoring-Programm

erfahren und warum haben Sie sich dazu entschlossen,

daran teilzunehmen?

PANDEYA: An der Jacobs University haben wir ein Career

Service Center (CSC), das uns Studenten informiert über

Karrieremöglichkeiten, Praktikaangebote und über Kooperationen

mit der Industrie wie das Mentoring-Programm.

Durch eine E-Mail des CSC habe ich von dem

Programm erfahren.

atp edition: Wer ist Ihr Tandem-Partner? Wann hat das

Programm begonnen und wie oft haben Sie sich seitdem

getroffen?

PANDEYA: Mein Tandem-Partner ist Frank Soballa (Euro

Engineering AG). Das Programm hat im Februar dieses

Jahres begonnen; seitdem haben wir uns vier Mal getroffen.

Da wir beide sehr beschäftigt sind, war es schwierig,

Termine für persönliche Treffen zu vereinbaren. Wir haben

jedoch regelmäßig Kontakt gehalten über E-Mails und

Videotelefonie.

atp edition: Worin bestand genau das Mentoring Ihres

Tandem-Partners?

PANDEYA: Bei dem Programmauftakt sagte mir Herr Soballa

zu, mich bei meinen Bewerbungen zu unterstützen.

Er sah sich meinen Lebenslauf und mein Anschreiben an

und gab mir sehr hilfreiche Tipps. Außerdem nahm er

mich mit zu einigen Unternehmen, die mit mir Vorstel-

12

atp edition

9 / 2013

GRISHMA RAJ PANDEYA:

„Nach meinem

Masterstudium möchte

ich in Deutschland

arbeiten.“

und Energiesystemtechnik beschäftige ich mich mit den

Steuerungssystemen von Windturbinen. Im Masterstudium

möchte ich mich dem Entwurf von Steuerungssystemen

widmen. Für mich ist die Arbeit am Fraunhofer-Institut eine

gute Möglichkeit, um praktische Erfahrung auf diesem Gebiet

zu sammeln und um mit leitenden Wissenschaftlern

des Instituts zusammenzuarbeiten.

lungsgespräche zur Übung führten. Das habe ich vorher

noch nie gemacht; es hat mir sehr geholfen. Jetzt weiß

ich, was mich in einem echten Vorstellungsgespräch erwartet

und wie ich mich verhalten muss. Außerdem wurde

ich zur Hannover Messe eingeladen. Dort habe ich

Vertreter einiger Unternehmen kennengelernt. Ich konnte

auch Firmen wie Alstom und Volkswagen besuchen.

Mein Mentor gab mir einen Einblick, wie es ist, in einem

Ingenieurunternehmen zu arbeiten.

Während der Vorlesungszeit bin ich sehr beschäftigt und

verlasse den Campus so selten, dass ich genauso gut in

Singapur oder Berlin sein könnte; das würde keinen Unterschied

für mich machen. Herr Soballa bestand deshalb

immer darauf, dass ich mehr in die deutsche Kultur eintauche

und möglichst viel Deutsch lerne. Ich wurde nach

Braunschweig zu einem Abendessen eingeladen. Wir

führten ein tolles Gespräch über Fußball, die Eintracht

Braunschweig und über die Meisterschaft von 1967.

Ich bin sehr zufrieden mit der Erfahrung, die ich beim

Mentoring-Programm gemacht habe. Mein Tandem-Partner

und ich schreiben uns immer noch E-Mails und wollen

weiterhin Kontakt halten.

atp edition: Zurzeit machen Sie ein Praktikum. Aus welchem

Grund haben Sie sich dazu entschieden? In welchem

Bereich arbeiten Sie?

PANDEYA: Ich interessiere mich sehr für Regelungstechnik.

Als Praktikant am Fraunhofer-Institut für Windenergie

atp edition: Würden Sie bitte zusammenfassen, inwiefern

das Mentoring-Programm Ihnen dabei geholfen hat, sich

darüber klar zu werden, welchen Beruf Sie einmal ausüben

möchten?

PANDEYA: Mein Mentor Frank Soballa hat mir dabei geholfen,

in Kontakt mit einigen deutschen Unternehmen zu

treten. Ich konnte Übungsgespräche mit den Unternehmen

führen. Dank all dieser Erfahrungen bin ich sehr zufrieden

mit meinem Mentor.

atp edition: Wann werden Sie Ihr Studium beenden? Haben

Sie vor, in Deutschland zu bleiben oder zieht es Sie in ein

anderes Land?

PANDEYA: Ich werde meinen Abschluss im Juni 2014 machen.

Vielleicht gehe ich für meinen Master in ein anderes

Land, das hängt davon ab, wo ich eine Zusage bekomme.

Dennoch möchte ich danach in jedem Fall in Deutschland

arbeiten.

atp edition: Wie bewerten Sie das Mentoring-Programm

insgesamt?

PANDEYA: Es war eine tolle Erfahrung; ich habe viel gelernt

und neue Kontakte geknüpft. Fast alle Mentoren

und Mentees haben die kurze Dauer des Pilotprojekts

bedauert. Ich hoffe, dass die Organisatoren dies beim

nächsten Durchlauf ändern. Für mich ist das Programm

jedenfalls eine der prägendsten Erfahrungen an der Jacobs

University.

Die Fragen stellte Aljona Hartstock

atp edition

9 / 2013

13

PRAXIS

Offene Architektur ermöglicht maßgeschneiderte

Steuerungssoftware für die CNC-Maschinen

Dank der Sinumerik 840D sl kann Mubea die Anforderungen des Massentransportmarkts erfüllen

MUBEA SYSTEMS produziert Bearbeitungszentren für lange Aluminiumund

Stahlprofilschienen, die in Zügen eingesetzt werden. Wichtiges

Know-how steckt in der maßgeschneiderten CAD/CAM-Software.

ZUM FRÄSEN der langen Profile setzt

Mubea Systems in seinen Bearbeitungszentren

auf die offene Steuerungsarchitektur der

Sinumerik 840D sl. Bilder: Mubea Systems

Mit dem Einstieg in die Herstellung von Bearbeitungszentren

für die Stahl- und Aluminium-Extrusion

rüstete Mubea Systems die Antriebstechnik mit CNC-

Steuerungen der Solution Line von Siemens auf. Die

wichtigsten Vorteile liegen für Mubea in der Offenheit

und Flexibilität der Sinumerik 840D sl. Dank der offenen

Systemarchitektur kann Mubea seine ganze Kompetenz

in für die Kunden maßgeschneiderte CAD/CAM-Software

einbringen.

Mubea Systems S.A., ein zur Familie der Haco-Gruppe

zählendes Unternehmen, produziert das komplette Spektrum

an 4- und 5-Achs-CNC-Bearbeitungszentren. Eingesetzt

werden diese insbesondere für die verschiedenen

Zerspanungsaufgaben bei langen Aluminium- und Stahlprofilen,

wie sie für Hochgeschwindigkeitszüge, Straßenbahnen

und U-Bahnen benötigt werden.

Für die Herstellung ihrer flexiblen und zuverlässigen

CNC-Maschinen für die Transportindustrie setzt Mubea

ausschließlich hochwertige Komponenten und Software

ein. Zur Produktpalette gehören die 4-Achs-Gantry-Maschine

Alu-Flex, die 5-Achs-C-Rahmen-Maschine

Profile-Flex sowie die 5-Achs-Gantry-Maschine

Multi-Flex. „Ganz oben in unserem Produktspektrum

rangiert aber die 5-Achs-Maschine Mega-Flex “, erklärt

Frank Havegeer, Vorstandsvorsitzender von Mubea Systems.

Dabei handelt es sich um eine Profiliermaschine

mit patentierter Doppel-X-Achse, die für höhere Dynamik

und gesteigerte Kapazität sorgt. Dank einer zusätzlichen

vertikalen Doppelspannvorrichtung erfüllt sie

höchste Standards in puncto Bearbeitungsgeschwindigkeit

und -genauigkeit.

Die Maschine gibt es in 30 oder 60 Meter Länge, mit

ein oder zwei Fräsköpfen, die einzeln oder zusammen

arbeiten. „Diese Doppelkopflösung bietet noch mehr Flexibilität

und Geschwindigkeit, sodass wir den Anforderungen

der Transportindustrie zu 100 Prozent gerecht

werden können – sprich wirtschaftlich und qualitativ

hochwertig produzieren sowie zügig ausliefern können“,

ergänzt Havegeer.

KONTINUITÄT ÜBER DIE GESAMTE ORGANISATION

Sinumerik 840D sl, ausgestattet mit Sinamics S120-Antriebstechnik,

ist bei allen Mubea-Maschinen die Steuerungslösung

erster Wahl. Nachdem das Unternehmen

bislang die Power Line im Einsatz hatte, entschied sich

Mubea im Oktober 2012 dafür, auf die Solution Line aufzurüsten.

„Wir sind damals neu in das Feld der Stahl- und

Aluminium-Extrusion eingestiegen. Siemens wusste sofort,

worauf es dabei ankam“, erinnert sich Havegeer. „Und

auch auf den Support können wir uns immer verlassen.“

Entscheidend für das Upgrade zur Solution Line waren

laut Havegeer die positiven Erfahrungen mit der

Sinumerik CNC – sowie der Wunsch, mit Hilfe eines

durchgängigen Systems Kontinuität und Stabilität über

die gesamte Unternehmensorganisation herzustellen.

„Sinumerik 840D sl bietet die von unseren Kunden ge-

14

atp edition

9 / 2013

Unser

Know-how

für Sie

forderte Genauigkeit, Skalierbarkeit und Performance

in einem sehr guten Preis-Leistungs-Verhältnis“,

erklärt Havegeer.

Die Einführung des neuen Systems dauerte weniger

als zwei Wochen. Für Dirk Algoet, verantwortlich für

Engineering und Automatisierungstechnik bei Mubea,

sind Offenheit und Flexibilität die beiden größten

Stärken von Sinumerik 840D sl. „Wir liefern unsere

Maschinen mit einer maßgeschneiderten CAD/

CAM-Software an den Kunden aus“, erläutert Algoet.

„Diese bietet dynamische Programmiereigenschaften

und ermöglicht es dem Kunden, die Maschinen mithilfe

von 3-D-Profilen mühelos zu steuern.“

EINHEITLICHE SCHNITTSTELLE

Durch die offene Systemarchitektur von Sinumerik

840D sl können das Knowhow und die Fachkompetenz

von Mubea Systems direkt in das Endprodukt

einfließen. Das Ergebnis ist eine einheitliche und

nutzerfreundliche Schnittstelle für Bedienung, Programmierung

und Visualisierung. „Dank der systemweiten

Offenheit von Sinumerik 840D sl können wir

bessere Maschinen für unsere Kunden entwickeln“,

resümiert Algoet.

Mubea Systems betreibt Regionalbüros in Belgien,

Deutschland, den Vereinigten Staaten, Kanada und

China. Das Unternehmen liefert seine Bearbeitungszentren

in insgesamt zehn Länder und verzeichnet

eine Exportrate von 99 %. Der weltweite Support ist

für den Maschinenhersteller und dessen Kunden deshalb

von größter Wichtigkeit. „Wir haben ein hochqualifiziertes

Team, das unsere Kunden weltweit persönlich

betreut, wenn es um kundenspezifische Maschinen

und Maschinenteile geht“, so Kris Rosseeuw,

Serviceverantwortlicher bei Mubea. „Für alltägliche

technische Belange sind jedoch die Siemens-Serviceverträge

von unschätzbarem Wert.“

AUTOR

STEIN MONSEREZ ist

als Sales Engineer im

Bereich Motion Control

bei Siemens tätig.

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PRAXIS

Mit Hilfe additiver Verfahren entstehen Endprodukte:

Potenziale von Rapid Manufacturing besser nutzen

VDI treibt die Verbreitung der neuen Fertigungsverfahren mit Richtlinien und einer Tagung voran

Bauteile, die so hergestellt werden, weisen gute mechanische

Eigenschaften auf und können als finale Produkte

verwendet werden. Dieses Verfahren heißt dann Rapid

Manufacturing.

MIT DEM STRAHL-

SCHMELZVERFAHREN

lassen sich beispielsweise

Miniatursiebe herstellen.

Bild: Gregor Jell Werkzeugelemente

Lange wurden additive Fertigungsverfahren zur Herstellung

von Prototypen eingesetzt (Rapid Prototyping).

Durch Weiterentwicklung der Fertigungsmethoden

und verbesserte Materialien ist es heute möglich,

stabile Endprodukte herzustellen (Rapid Manufacturing).

Inzwischen haben additive Herstellungsmethoden,

meist unter dem Namen 3D-Druck bekannt, den

Weg in den Massenmarkt gefunden. Mit neuen Richtlinien

unterstützt der VDI die Verbreitung dieser Verfahren.

In einer Fachkonferenz im Oktober informiert der

VDI außerdem über das Herstellungsverfahren.

VOM PROTOTYPEN ZUM ENDPRODUKT

Unter „additiv“ werden alle Herstellverfahren zusammengefasst,

bei denen ein Bauteil entsteht, indem der

Werkstoff schrittweise hinzugefügt wird. Das steht im

Gegensatz zu den klassischen subtraktiven Verfahren

wie Fräsen, Bohren und Drehen, bei denen Material weggenommen

wird, um das endgültige Bauteil zu erzeugen.

Rapid Prototyping fasst alle additiven Verfahren zusammen,

mit denen Prototypen zur weiteren Begutachtung

hergestellt werden. Beim 3D-Druck beispielsweise

wird ein Kunststofffaden, ähnlich wie bei einer Heißklebepistole,

aufgeschmolzen. Das Bauteil wächst dann

zusammen, indem punktgenau einzelne Materialtropfen

Schicht für Schicht dort dosiert werden, wo weiteres

Material für das endgültige Bauteil benötigt wird.

Außer dem 3D-Druck gibt es weitere Konzepte, um

Bauteile additiv herzustellen: Das Ausgangsmaterial

kann pulverisiert und in einer dünnen Schicht auf die

Arbeitsfläche aufgetragen werden. Wenn man es nun

punktgenau mit einem Laser aufschmilzt, wächst das

Material beim Wiedererstarren mit den darunter- und

anliegenden Strukturen zusammen. Wenn eine Schicht

fertig ist, wird der Vorgang wiederholt. Auf diese Weise

entsteht schrittweise das Bauteil.

Der Vorteil des Laser-Verfahrens ist, dass es nicht nur

mit Kunststoffen funktioniert. Wenn Metalle mit diesem

Verfahren verarbeitet werden, spricht man von Strahlschmelzen,

und bei Kunststoffen von Laser-Sintern. Die

VDI REGELT RAPID MANUFACTURING

Nachdem der Fachausschuss 105 der VDI-Gesellschaft

Produktion und Logistik (GPL) „Rapid Manufacturing“

im Dezember 2009 in der Richtlinie VDI 3404 die grundlegenden

Begriffe und Qualitätskenngrößen festgelegt

hatte, hat der Fachausschuss die Qualifizierung, Qualitätssicherung

und Nachbearbeitung beim Strahlschmelzen

metallischer Bauteile in der Richtlinie VDI 3405

Blatt 2 bearbeitet. Die Richtlinie wurde im August 2013

veröffentlicht. Außerdem entstand die Richtlinie 3405

Blatt 1 „Laser-Sintern von Kunststoffbauteilen“.

Die guten mechanischen Eigenschaften der mit Strahlschmelzen

oder Laser-Sintern hergestellten Bauteile

ermöglichen es, Endprodukte herzustellen. Vor diesem

Hintergrund bildete sich aus dem FA 105 heraus der

Richtlinienausschuss FA 105.3 „Konstruktionsempfehlungen“,

der für Konstrukteure eine Richtlinie erarbeitet,

die die Potenziale und die Grenzen dieses Fertigungsverfahrens

beschreibt.

Dies ist nur ein Aspekt, der beim Weg vom Prototypen

bis zur Großserie mit additiven Fertigungsverfahren zu

beachten ist. Diesem Thema widmet sich die VDI-Fachkonferenz

„Additive Manufacturing“ am 9. und 10. Oktober

2013. Wer den Nutzen dieses Herstellungsverfahrens

für sich bewerten will, erhält bei der Konferenz die

Möglichkeit, schnell in das Thema einzusteigen.

Einige Zweige des produzierenden Gewerbes zeichnen

sich durch hochwertige, individuelle Produkte aus, die

in kleinen oder mittleren Stückzahlen produziert werden.

In diesem Segment kann die Nutzung der additiven

Fertigung Vorteile bieten. Daher wird der VDI die weitere

Entwicklung dieser Technologie aktiv begleiten. So hat

der Fachausschuss „Rapid Manufacturing“ die Unterausschüsse

FA 105.1 „Kunststoffe“ und FA 105.2 „Metalle“

gegründet, um die jeweiligen Themen voranzubringen.

AUTOR

Dr.-Ing. ERIK MARQUARDT

ist verantwortlicher Referent

im Bereich Technik und

Wissenschaft des VDI.

Verein Deutscher

Ingenieure e.V.,


Tel. +49 (0) 211 621 43 73,

E-Mail: marquardt@vdi.de

16

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9 / 2013

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PRAXIS

Roboter simulieren Sinneswahrnehmungen für

angehende Chirurgen sehr realitätsnah

Servomotor mit hohem Drehmoment erfüllt Anforderungen der Haptik-Entwickler

n einer zunehmend virtuellen Welt bietet die Fähigkeit

I zum Simulieren von Berührungen buchstäblich spürbare

Vorteile; einem Online-Kunden ermöglicht die

Technologie beispielsweise, einen Hemdstoff zu „fühlen“.

Bei der Haptik simulieren Robotiksysteme mit

Feedback- und Steuerungsfunktionen taktile Wahrnehmungen.

Quanser, ein Hersteller von Haptikgeräten

produziert beispielsweise fünf- und sechsachsige Roboter,

die realitätsnahe Sinneswahrnehmungen vermitteln.

Hierfür setzt das Unternehmen Hardware und

Software sowie drehmomentstarke, breitbandige Servomotoren

ein.

Quanser begann auf dem Markt für Lehrmittel mit Produkten

wie Simulatoren für die Chirurgie. Die Geräte

erlauben Medizinstudenten, Einschnitte ohne Leichen

zu üben. „Nach diesem Verfahren kann man den gesamten

Vorgang simulieren und den angehenden Chirurgen

dieselben Sinneswahrnehmungen vermitteln wie in der

chirurgischen Praxis“, erläutert Paul Karam, Leiter Konstruktion

und Entwicklung bei Quanser. „Mehr noch:

Auch die Leistungen, wie viel Kraft die Kandidaten aufgewendet

haben, wie umfangreich die Schnitte waren,

lassen sich quantitativ erfassen.“

Neben anwendungsspezifischen Produkten für Erstausrüster

(OEM)-Kunden baut das Unternehmen allgemeine

Haptiksysteme für die Forschung. Die neueste

Entwicklung ist das High Definition Haptic Device

(HD2), ein Parallelmechanismus mit sechs Freiheitsgraden

(x, y, z, Rollen, Nicken, Gieren), das heißt voneinander

unabhängigen Bewegungsmöglichkeiten. Dieser mechanisch

ausbalancierte, reibungsarme Roboter besteht

aus zwei miteinander gekoppelten Auslegern mit je fünf

Gelenken und kann über einen großen Arbeitsbereich

hinweg Bewegungen in hoher Auflösung ausführen. Das

HD2 hat einen Roll- (auf der x-Achse) beziehungsweise

Nickbereich (y-Achse) von jeweils +/-90° und einen Gierbereich

(z-Achse) von +/-180°.

ZENTRALES ENTWICKLUNGSZIEL: BERÜHRUNGEN

„Was man auch immer zu simulieren versucht – sei es

nun das Klopfen auf Holz oder Bewegungen bei der Gehirnchirurgie,

die jeweilige Haptik muss definierte und

gleichmäßige Sinneswahrnehmungen vermitteln“, so

Karam weiter. „Der Mechanismus muss das bei der Operation

entstehende Gefühl originalgetreu wiedergeben,

sonst nützt er nichts.“

Ein gutes Haptikgerät zeichnet sich durch geringe

Reibung und Massenträgheit aus, kann aber zugleich

Kräfte mit einem hohen Dynamikbereich erzeugen, und

das innerhalb eines großen Arbeitsbereichs. Dafür werden

mechatronische Konzepte entwickelt, bei denen vor

dem Prototyping umfassende Modelle erstellt und getestet

werden. Um beispielsweise das Reaktionsvermögen

des HD2 zu maximieren, ordnete das Entwicklerteam

die Motoren im Gehäuse an und nicht auf dem

Stellgliedarm.

Die für die Leistungsfähigkeit entscheidenden Komponenten

sind die Linearstromverstärker. „Damit lassen

DER MECHANISCH AUSBALANCIERTE,

reibungsarme Roboter simuliert mit

ausgeklügelten Feedback- und

Steuerungsfunktionen eine

taktile Wahrnehmung.

Bild: Quanser

sich sehr geschmeidige und gleichmäßige Kräfte um Null

herum erzeugen und das kann man auch fühlen“, sagt

Karam. „Mit einem Verstärker, der mit Pulsbreitenmodulation

arbeitet, ist das nicht realisierbar.“ Das Entwicklerteam

verwendet außerdem keine Standard-Motion-

Controller aufgrund der dabei entstehenden Verzögerungen.

Denn um Sinneswahrnehmung zu erzeugen, die

beim Berühren einer harten Oberfläche oder bei der Interaktion

mit der Umgebung entsteht, sind hohe Kraftbandbreiten

und sehr kurze Latenzzeiten nötig. Daher

setzt das Entwicklerteam eigene 8-Kanal-Datenerfassungsboards

und die Steuerungssoftware Quarc ein. Das

Ergebnis ist eine PC-basierte Steuerung, die im Bereich

von 1 bis 10 kHz arbeitet, die Encoder simultan ausliest,

die Kinematik des Geräts berechnet und die Drehmomente

aller sechs Motoren vorgibt.

SERVOMOTOR KUNDENSPEZIFISCH MODIFIZIERT

Zum mechatronischen Design gehört ein Konzept,

nach dem die Bauelemente auf Systemebene entwickelt

und nicht willkürlich ausgewählt werden. Dabei

kooperiert Quanser mit der amerikanischen Faulhaber-Tochter

Micromo. „Durch Kombination der High-

End-Motoren mit unseren Linearverstärkern sind Antriebe

entstanden, die ein hohes Ausgangsdrehmoment

liefern, aber zugleich reibungsund haftreibungsarm

arbeiten sowie eine niedrige Massenträgheit aufweisen“,

erklärt Karam.

Das Team strebte eine Standardisierung auf der Basis

von einem oder zwei Motoren an. Dazu benötigten die

Wissenschaftler ein hohes Drehmoment, das jedoch einen

größeren Motor voraussetzt, der wiederum mehr

Massenträgheit, Reibung und Gewicht mit sich bringt.

Die Entwickler haben daher nach einer Spezialeinheit

18

atp edition

9 / 2013

DAS HAPTIKGERÄT benötigt

einen Kleinstantrieb, der ein

hohes Ausgangsdrehmoment

liefert, zugleich sehr reibungsund

haftreibungsarm arbeitet

und eine sehr niedrige

Massenträgheit aufweist.

Bild: Faulhaber

FÜR DIE CHIRURGENAUSBILDUNG muss das

Gerät das bei der Operation entstehende Gefühl

originalgetreu wiedergeben. Bild: Quanser

gesucht, die auf ihre Anforderungen abgestimmt sein

sollte – und fanden sie mit dem Faulhaber-Motor: „Dieser

Motor hat eine andere Spule, mit der sich ein hohes Ausgangsdrehmoment

erzeugen lässt“, sagt Karam. „Er entwickelt

zwar keine besonders hohen Drehzahlen, aber

das ist bei Haptikgeräten auch selten erforderlich. Ein

hohes Drehmoment und die nicht selbsthemmende

Kraftübertragung, also die Fähigkeit des Benutzers, die

Reibung zu überwinden und das Haptikgerät zu betätigen,

sind die entscheidenden Faktoren.“

STANDARDENCODER FÜR FEEDBACK

Die Motoren sind mit hochauflösenden optischen Encodern

ausgestattet. Diese liefern die präzisen Feedbackgrößen,

die erforderlich sind, um eine realitätsnahe taktile

Wahrnehmung zu erzeugen. Die Hersteller der Haptikgeräte

verwenden Rollenantriebe anstelle von Getrieben,

denn bei Getrieben kann es zu verzögerten

Rückmeldungen kommen. Ein Rollenantrieb besteht aus

zwei Walzen, zwischen denen ein vorgespannter Strang

verläuft, ähnlich wie bei einer Videokassette. Das Verhältnis

der beiden Walzendurchmesser bestimmt das

Untersetzungsverhältnis. Eine typische Motor-Antriebsrollen-Baugruppe

kann Untersetzungsverhältnisse von

bis zu 30:1 erreichen.

Damit Haptikgeräte effektiv arbeiten, müssen sie eine

kontinuierliche Sinneswahrnehmung liefern, das bedeutet,

dass die Motoren ein hohes Maß an Reproduzierbarkeit

aufweisen müssen. Auch hier fanden die Forscher

eine Lösung. „Wie viel Kraft ich erzeuge, hängt einzig

und allein davon ab, was ich für die nominale Drehmomentkonstante

des Motors halte“, sagt Karam. „Quantitativ

kann ich diese Größe von System zu System nicht

messen, aber wir haben zahlreiche Varianten desselben

Geräts hergestellt, und ich kann beim Nachführen keinen

Unterschied feststellen.“

Dank ihrer Entwicklungsplattform und der Faulhaber-

Motoren ist das Unternehmen in der Lage, aus Konzepten

innerhalb kürzerer Zeit Produkte herzustellen. „Wenn

beispielsweise ein Chirurg mit dem Plan an uns herantritt,

Nadeleinstiche im Operationssaal zu untersuchen,

können wir für ihn ein Gerät entwickeln, das genau die

richtigen Spezifikationen dafür hat“, so Karam. In den

kommenden zwanzig Jahren erhofft sich das Unternehmen

zusätzliche Anwendungsmöglichkeiten in anderen

Industriezweigen.

AUTOR

Dipl.-Ing. FH

ANDREAS SEEGEN

ist Leiter Marketing

bei Faulhaber.

Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG,

Daimlerstraße 23/25, D-71101 Schönaich,

Tel. +49 (0) 7031 63 81 23,

E-Mail: andreas.seegen@faulhaber.de

atp edition

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19

PRAXIS

Teamarbeit von Konstruktion und Dokumentation

garantiert Risikobeurteilung aus einem Guss

Robomotion nutzt für CE-Kennzeichnung gemäß Maschinenrichtlinie webbasierte Spezialsoftware

ROBOTER und Komponenten verschiedener Hersteller integriert

Robomotion für Kunden in komplette Produktionsanlagen.

Mit einer Spezialsoftware konnte der Entwicklungsdienstleister

die Risiko beurteilung der Anlagen optimieren. Bild: Robomotion

DIE WEBBASIERTE SOFTWARE Docufy Machine Safety

erlaubt es, die Risikobeurteilungen parallel zur

Konstruktion Schritt für Schritt zu erstellen und dabei

frühzeitig Sicherheitsrisiken zu eliminieren. Bild: Docufy

Der Automatisierungsspezialist Robomotion konnte

die Erstellung von Risikobeurteilungen gemäß Maschinenrichtlinie

mit einer CE-Spezialsoftware erheblich

verbessern: Durch den Einsatz von Docufy Machine

Safety halbierte sich der Zeitaufwand und die Kosten

sanken. Da die Erstellung der Risikobeurteilung nun

direkt in die Konstruktion einer Anlage integriert ist,

lassen sich Gefahrenquellen zudem frühzeitig erkennen

und eliminieren.

Zunehmend werden die CE-Kennzeichnung und die

damit einhergehende Sicherheit ihrer Produkte zur

zwingenden Voraussetzung für den Marktzugang. „Immer

mehr Kunden achten beim Kauf einer Anlage darauf,

ob eine Risikobeurteilung vorliegt. Teilweise wird

diese sogar explizit in den Lastenheften verlangt“, erläutert

Jens Rippel, bei der Robomotion GmbH aus

Leinfelden-Echterdingen verantwortlich für die Technische

Dokumentation. Gerade bei großen Unternehmen

ist eine einwandfreie Risikobeurteilung mittlerweile

oft Bedingung für die Vergabe eines Auftrages.

Gleichzeitig erkennen die Lieferanten, dass die bisher

von ihnen eingesetzten, oft improvisierten Methoden zur

Erstellung von Risikobeurteilungen an ihre Grenzen stoßen:

Die Rechtskonformität ist meist ungewiss, Aufwand

und Kosten sind oft zu hoch.

Immer mehr Maschinen- und Anlagenbauer steigen

daher auf eine professionelle Software um. So auch die

Robomotion GmbH, die für Kunden aus der Lebensmittel-,

Pharma- und Kunststoffindustrie Roboter und Komponenten

verschiedener Hersteller in komplette Produktionsanlagen

integriert. Robomotion nutzt die webbasierte

Lösung Docufy Machine Safety seit Anfang

2012, um Risikobeurteilungen zur CE-Kennzeichnung

gemäß Maschinenrichtlinie zu erstellen. Damit gelang

es dem Entwicklungsdienstleister, die Erstellung der

Risikobeurteilung optimal in die Konstruktion einer

Anlage einzubinden.

RISIKEN BIS DATO ERST IM NACHHINEIN ERMITTELT

Die größte Herausforderung bei der Risikobeurteilung

bestand für Robomotion darin, diese von Anfang an in

den Konstruktionsprozess zu integrieren. Vor Einführung

von Docufy Machine Safety fertigte Jens Rippel die

Risikobeurteilungen mit selbst erstellten Word- und

Excel-Tabellen allein an. In der Regel geschah dies nach

Abschluss der Konstruktionsarbeiten. Das heißt, er

musste diese Schritt für Schritt rekapitulieren und mit

Hilfe des jeweiligen Konstrukteurs im Nachhinein mögliche

Risiken ermitteln. Rippel erläutert: „Dank Docufy

Machine Safety können wir heute die Erstellung der Risikobeurteilung

optimal in die Konstruktion einer Anlage

integrieren. Die mechanischen Konstrukteure sowie

die Mitarbeiter in der Elektroplanung fertigen die Risikobeurteilung

parallel zur Konstruktion an und pflegen

Schritt für Schritt alle relevanten Informationen in das

webbasierte System ein.“ Derzeit arbeiten neben Jens

Rippel noch drei Kollegen aus der Konstruktionsabteilung

mit Docufy Machine Safety.

20

atp edition

9 / 2013

GEFAHRENQUELLEN FRÜHZEITIG ELIMINIERT

Dieses parallele Arbeiten bringt gleich mehrere Vorteile:

Da der Konstruktionsprozess nicht nachträglich

wieder aufgerollt werden muss, sinkt der Aufwand sowohl

im Bereich Technische Dokumentation als auch

bei den Konstrukteuren. Durch die zeitgleiche Risikobeurteilung

ist es nun auch besser möglich, Gefahrenquellen

sofort zu eliminieren. „Vor allem aber hat der

Einsatz von Docufy Machine Safety dazu geführt, dass

die Konstrukteure die Risikobeurteilung nicht mehr

nur als notwendiges Übel ansehen, sondern dass sie viel

bewusster auf mögliche Risiken achten. Früher haben

wir bei der Beurteilung der fertigen Konstruktion

manchmal Gefahrenquellen gefunden, die dem Konstrukteur

anfangs nicht bewusst waren. Seit der Einführung

dieser Software ist das Thema Maschinensicherheit

viel besser in den Köpfen unserer Konstrukteure

verankert“, erläutert Jens Rippel.

„Mit dem vorher von uns eingesetzten Verfahren der

Risikobeurteilung mittels Excel und Word war es immer

sehr schwierig, die einschlägigen Normen und Richtlinien

zu erfüllen“, blickt Jens Rippel zurück. Denn bei

der Konzeption neuer Anlagen greift Robomotion häufig

auf bereits verwendete und bewährte Baugruppen und

Komponenten zurück. Deren Risikobeurteilungen wurden

früher jeweils von Liste zu Liste weiterkopiert. „Das

war nicht nur kompliziert und aufwendig, sondern führte

auch häufig zu Fehlern. Da für eine Anlage meist mehrere

Excel-Tabellen herangezogen wurden, ging schnell

die Übersicht verloren. Oft war unklar, was wann ausgefüllt

werden muss. Zudem gab es keine Gewähr, dass

auch wirklich alle relevanten Inhalte übernommen wurden“,

erinnert sich Jens Rippel.

DER ZEITAUFWAND WURDE MIT DOCUFY HALBIERT

Demgegenüber bietet Docufy Machine Safety dem Automatisierungsspezialisten

jetzt maximale Rechtskonformität.

Einen entscheidenden Beitrag dazu leisten die

Kopiervorlagen. Hat man einmal ein Konzept erstellt,

wie man die Sicherheit einer Anlage gewährleisten

kann, so wird dieses Prinzip dank der Kopiervorlagen

für jede weitere Anlage angewendet. Zudem führt die

Software die Nutzer Schritt für Schritt durch den Beurteilungsprozess,

so dass auch wirklich alle wichtigen

Bestandteile enthalten sind.

Dank Docufy Machine Safety ist es Robomotion zudem

gelungen, den Aufwand für die Erstellung der Risikobeurteilungen

zu senken. „Wir haben den Zeitaufwand

dank der Lösung etwa auf die Hälfte reduziert“, freut sich

Jens Rippel. Diese Zeiteinsparungen entstehen zum einen

durch die Erstellung der Risikobeurteilung parallel zum

Konstruktionsprozess. Zum anderen leistet der modulare

Aufbau der Software einen entscheidenden Beitrag zur

Aufwandsreduktion. Denn Risikobeurteilungen für einzelne

Baugruppen können abgespeichert und später wiederverwendet

werden. Außerdem gibt Docufy Machine

Safety am Schluss automatisch eine Konformitätserklärung

in einem sauberen Layout aus.

Weitere Vorteile zieht Robomotion aus der Schnittstelle

zum Software-Assistenten Sistema. So werden Projekte

und die entsprechenden Sicherheitsfunktionen nun

automatisch in Sistema generiert. Das mühsame Suchen

in Excel-Tabellen entfällt, denn die Dokumentation eines

Projekts wird einfach aus Docufy Machine Safety übernommen.

Im Gegenzug importiert die Software die bearbeitete

Sistema-Datei inklusive dem erreichten Performance

Level für alle steuerungstechnischen Maßnahmen

und führt es in der Risikobeurteilung mit auf. „Das

alles spart Zeit und reduziert die Fehleranfälligkeit“,

fasst Jens Rippel zusammen.

WEBAPPLIKATION LÄSST SICH EINFACH INTEGRIEREN

Robomotion war es darüber hinaus wichtig, dass die

Software einfach zu bedienen ist. „Wir konnten die Software

sofort, ohne Schulung oder umfangreiche Einarbeitung

nutzen – was besonders für unsere Konstrukteure

sehr wichtig war. Das Programm ist nahezu selbsterklärend

und leitet den Nutzer schrittweise durch den

Risikobeurteilungs-Prozess“, erklärt Rippel.

Ein wichtiges Auswahlkriterium war für Robomotion

außerdem die einfache Integration in die vorhandene

IT. Die Software ist auf einem Server von Robomotion

installiert. „Es kam uns sehr entgegen, dass Docufy Machine

Safety eine Webapplikation ist, bei der sich unsere

Mitarbeiter ohne größeren administrativen Aufwand

einfach einloggen können.“ Um die Lösung intensiver

nutzen zu können, erwarb Robomotion eine

zweite Lizenz. „Nun können mehrere Mitarbeiter, auch

zwei gleichzeitig, mit Docufy Machine Safety arbeiten

– Konstruktion und Risikobeurteilung können nun problemlos

parallel erfolgen.“

AUTOR

PETER STROBELBERGER

ist im Bereich Vertrieb und

Beratung Docufy Machine

Safety tätig.

Docufy GmbH,

Kapuzinerstraße 32,

D-96047 Bamberg,

Tel. +49 (0) 951 20 85 97 46,

E-Mail: peter.strobelberger@docufy.de

atp edition

9 / 2013

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PRAXIS

Wireless vom Feld in die Welt: Sicher drahtlos

kommunizieren im Automatisierungsumfeld

WirelessHart, WLAN und Mobilfunk bieten zuverlässige Lösungen für nahezu alle Szenarien, Teil 1

Drahtlose Kommunikation ist aus unserem Alltag nicht

mehr wegzudenken. Informationen überall auf der

Welt jederzeit per Internet abzurufen ist selbstverständlich

geworden. Diese Vorteile können auch Anwender in

der Automatisierungstechnik nutzen. Die verschiedenen

Technologien können mit Hilfe eines Koexistenz-Managements

ohne Probleme im Zusammenspiel eingesetzt

werden: WirelessHart sorgt für den Transport der Daten

von der Feld- zur Steuerungsebene, Industrial Wireless

LAN übernimmt die drahtlose Vernetzung der Steuerungsebene

und Mobilfunk ermöglicht den Zugriff auf

weltweit entfernte Anlagenteile. Der erste Teil dieses

Beitrags stellt die Möglichkeiten von WirelessHart und

die Grundzüge der WLAN-Standards dar. Die zweite

Folge in atp edition 10 beschreibt konkrete industrielle

WLAN-Anwendungen und die Möglichkeiten der Mobilfunknetze.

FUNKTECHNIK KOMMT IMMER HÄUFIGER ZUM EINSATZ

Die Akzeptanz von drahtlosen Systemen in der Industrie

wächst weltweit immer schneller – und vor allem gleichmäßig

über die verschiedenen Regionen hinweg, was

sich laut IMS Research in den erwarteten Absatzzahlen

widerspiegelt (Bild 1). Drahtlose Netzwerke kommen in

der Industrie immer dann zum Einsatz, wenn mehr Flexibilität

gefordert ist oder das Verlegen von Kabeln an

seine technischen Grenzen stößt. Außerdem bieten

drahtlose Systeme in bestimmten Fällen eine höhere Zuverlässigkeit

als fest verdrahtete, ermöglichen einen

schnelleren Aufbau und, wie oben angesprochen, mehr

Flexibilität. So lassen sich deutliche Kosteneinsparungen

beispielsweise in Montage und Instandhaltung erzielen.

Die Funktechnologien werden durch die Weiterentwicklung

der Standards innerhalb des IEEE, der IEC

und ISA immer ausgereifter und finden sowohl in der

Fertigungs- als auch in der Prozessautomatisierung zunehmend

Anwendung. Sie stellen somit eine Alternative

oder Ergänzung zu herkömmlichen kabelgebundenen

Netzen dar. Es stehen zurzeit verschiedene standardisierte

drahtlose Technologien zur Verfügung wie: WirelessHart

(IEEE 802.15.4), Wireless LAN (IEEE 802.11) und

der Mobilfunk (GSM/UMTS/LTE) (Bild 2 und 3).

Weltmarkt für Wireless-Geräte im Einsatz nach Region

2012–2017

EMEA

Amerika

Asien Pazifik

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Quelle: IMS Research (Part of IHS)

BILD 1: Die Akzeptanz von drahtlosen Systemen in

der Industrie wächst weltweit immer schneller, was

sich in den erwarteten Absatzzahlen widerspiegelt.

2012

2017

BILD 4: WirelessHart wird in der Prozessindustrie zur

Überwachung und Diagnose verwendet. Bild: Siemens

WIRELESSHART GEEIGNET FÜR PROZESSINDUSTRIE

WirelessHart ist ein offener Industriestandard und setzt

auf IEEE 802.15.4 auf. Er wurde speziell für die besonderen

Anforderungen an drahtlose Kommunikation in der

Feldebene der Prozessindustrie entwickelt. WirelessHart

ist eine Weiterentwicklung des Hart (Highway Adressable

Remote Transducer)-Protokolls und kommt heute maßgeblich

zu drahtlosen Überwachungs- und Diagnosezwecken

in der Prozessindustrie zum Einsatz. Typische Anwendungsfälle

können die Aufnahme von Messdaten von

Heiz-, Kühl-, Rühr- und Pumpvorgängen sein (Bild 4).

Prozesstechnische Anlagen zeichnen sich dadurch

aus, dass in der Regel der gesamte Prozess für die Herstellung

eines bestimmten Produktes an einem Ort konzentriert

ist. Je nach Industriebereich können diese Anlagen

somit beträchtliche Ausmaße annehmen. Die Anforderungen

an die Reichweite sind also sehr hoch und

liegen im Bereich von 10 km² oder mehr. Der von WirelessHart

verwendete Standard IEEE 802.15.4 ermöglicht

Reichweiten im Umkreis der Sende-/Empfangseinheit

von 100 m zwischen zwei Teilnehmern. Größere Entfernungen

überbrückt WirelessHart mit der Multi-Hop-

Technologie: WirelessHart-Sensoren übertragen ihre

Sensorwerte zum jeweils nächsten verfügbaren WirelessHart-Sensor

bis die Daten am Gateway eintreffen.

HOHE SICHERHEIT GEGEN ANGREIFER VON AUSSEN

Häufig werden mit WirelessHart analoge Signale von

Temperatur-, Druck oder Füllstandüberwachungen ausgewertet.

Die vergleichsweise langsamen Prozessänderungen

erlauben hohe Zykluszeiten, die typischerweise

zwischen 100 ms und einigen Sekunden liegen. Diese

drahtlose Lösung nutzt das 2,4-GHz-ISM-Frequenzband

22

atp edition

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Weltmarkt für Wireless-Geräte nach Übertragungsstandard

2012–2017

Wireless LAN

> 100 km

Reichweite

Wireless WAN

(GSM/UMTS/LTE)

Fernzugriffsebene

(Scada, Telecontrol)

WirelessHart

Mobilfunk

2012

2017

> 1000 m

> 100 m

Wireless LAN

(IEEE 802.11abgn)

Steuerungsebene

(Feldbus, Scada)

Andere

WirelessHart

Feldebene

(Prozessdaten)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

0 m

Quelle: IMS Research (Part of IHS)

BILD 2 UND BILD 3: WirelessHart, Wireless LAN und der Mobilfunk mit den

Standards GSM, UMTS und LTE decken unterschiedliche Reichweitenanforderungen

ab. Für alle Wireless-Technologien wird der Markt wachsen.

BILD 5: Typisches WirelessHart-Netzwerk mit vermaschter Netzwerktopologie und redundantem

Gateway. Für die analogen Signale von Temperatur-, Druck oder Füllstandüberwachungen mit relativ

langen Zykluszeiten reicht die Übertragungsgeschwindigkeit von maximal 250 kBit/s aus.

mit maximal 250 kbit/s und bietet somit eine ausreichende

Geschwindigkeit. Allerdings steigt die tatsächliche

Übertragungszeit linear mit der Anzahl der Hops, die

eine Information zurücklegen muss, bis sie beim Gateway

eintrifft (Bild 5).

Da prozesstechnische Anlagen oft durch ihre Größe

und aufgrund der Erzeugnisse, wie etwa Benzin,

Kunststoffe, Pestizide und vieles mehr in ihrer gesamtgesellschaftlichen

Relevanz wahrgenommen werden,

sind die Anforderungen an eine sichere Kommunikation

besonders hoch. Durch Verschlüsselung und Authentifizierung

auf Applikationsebene (Ende-zu-Ende)

und auf Paketebene (Hop-zu-Hop) bietet WirelessHart

eine hohe Sicherheit gegen Angreifer von außen und

gegen die unauthorisierte Nutzung von Daten innerhalb

des Netzwerks.

Auf Applikationsebene beginnt die Sicherheit bereits,

bevor sich ein Teilnehmer an einem WirelessHart-

Netzwerk anmeldet. Im Gateway wird für das Netzwerk

ein sogenannter Join-Key vereinbart. Während des Anmeldeprozesses

(Joining) muss ein neues Gerät den

korrekten Join-Key vorweisen. Danach wird zwischen

dem neuen Gerät und dem Gateway ein exklusiver

Session-Key vereinbart, der keinem weiteren Gerät bekannt

ist. Grundsätzlich wird darüber hinaus jedes

Datenpaket separat verschlüsselt und mit Authentifizierung

übertragen.

ZUVERLÄSSIG MIT REDUNDANZ UND KANALHOPPING

Da viele Produktionsprozesse in prozesstechnischen

Anlagen nicht unterbrochen werden dürfen – also lückenlos

gesteuert und überwacht werden müssen – ist

die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Kommunikation

hier besonders wichtig. Dies gewährleisten

WirelessHart-Netzwerke mit einer Reihe technischer

Lösungen.

atp edition

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23

PRAXIS

Zunächst sind diese Netzwerke in Maschen-Form

(meshed network) aufgebaut. Ein Teilnehmer baut eine

Verbindung zu allen erreichbaren Teilnehmern in seiner

näheren Umgebung auf. Die Kommunikation wird

so nahezu beliebig redundant und es ist sicher, dass

auch beim Ausfall eines Teilnehmers alle weiteren erreichbar

bleiben. Zudem wird die gesamte Kommunikation

im WirelessHart-Netzwerk Zeitschlitz-orientiert

(TDMA – Time Division Multiple Access) aufgebaut.

So bekommt zu jedem Zeitschlitz ein Knoten den

Kommunikationskanal exklusiv zugewiesen. WirelessHart

verhält sich somit ähnlich deterministisch wie

drahtgebundene Feldbusse und erhöht deutlich die

Zuverlässigkeit der Applikation.

Zusätzlich wird der Kommunikationskanal auf die

verfügbaren Frequenzkanäle im 2,4-GHz-ISM-Frequenzband

aufgeteilt. Insgesamt stehen WirelessHart

14 überlappungsfreie Frequenzkanäle zur Verfügung

(Bild 6). Das Hopping über die Kanäle liefert eine deutlich

robustere Kommunikation bei Koexistenzproblemen

oder schlechten Kanalbedingungen, die beispielsweise

durch Mehrwegeausbreitung hervorgerufen sein

können.

Das WirelessHart-Netzwerk wird von einem zentralen

Punkt aus, dem Netzwerk-Manager, aufgebaut und betrieben.

Dieser legt beim Hochlauf des Netzes fest, welcher

Knoten zu welchem Zeitschlitz auf welchem Kanal

mit welchem benachbarten Knoten kommunizieren darf.

Während der gesamten Laufzeit wird dieses Schema permanent

überwacht und optimiert. Die gesamte Intelligenz

des Netzwerk-Managers ist Bestandteil des WirelessHart-Gateways.

Damit bei dessen Ausfall nicht das

komplette Netzwerk zusammenbricht, kann die Topologie

mit Hilfe eines aktiven Gateways und eines passiven

Gateways redundant aufgebaut werden. Sollte das aktive

ausfallen, übernimmt das passive Gateway aktiv die Kontrolle.

Die redundante Ausführung des Gateways ist für

das dahinterliegende Netzwerk transparent.

WIRELESS LAN IST AUCH ECHTZEITFÄHIG

Wireless LAN (WLAN) ist ein offener Standard gemäß

IEEE 802.11abgn, der die hohen Anforderungen an die

anlagenweite Kommunikation auf der Steuerungsebene

in puncto Zuverlässigkeit, Datendurchsatz und Datenübertragung

erfüllen kann. Er ermöglicht die gleichzeitige

Übertragung unterschiedlicher Kommunikationsdienste

und kommt in der industriellen Automatisierung

dann zum Einsatz, wenn höhere Anforderungen an Echtzeitfähigkeit

oder Bandbreite stellen, die WirelessHart

nicht erfüllen kann.

WLAN kann gemäß Standard IEEE 802.11n Brutto-

Datenraten bis zu 600 MBit/s übertragen und mit industrietauglichen

Optimierungen die für die Feldbuskommunikation

notwendigen Echtzeitübertragungen erreichen.

Grundlage sind hier die lizenzfreien 2,4- und

5-GHz-ISM-Frequenzbänder.

Datenrate

600

Frequenzkanal

Mittelfrequenz (MHz)

500

400

300

200

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

2405 2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450 2455 2460 2465 2470

100

0

1999 1999 2003 2004 2009 2009

802.11a 802.11b 802.11g 802.11h 802.11n 802.11n

2x3:2 2x3:3

Bei 802.11n: Sendeantennen x Empfangsantennen : Anzahl Datenströme

2009

802.11n

4x4:4

Standard

ratifiziert

BILD 6: Zusätzlich zur Einteilung des Kommunikationskanals in Zeitschlitze

wird dieser bei WirelessHart auf die verfügbaren Frequenzkanäle

innerhalb des 2,4-GHz-ISM-Frequenzbandes aufgeteilt. So stehen

WirelessHart 14 überlappungsfreie Frequenzkanäle zur Verfügung.

BILD 7: Die neuesten WLAN-Standards

bieten deutlich höhere Übertragungsraten

als Fast Ethernet und eröffnen viele

neue Möglichkeiten: beispielsweise die

Kombination der Kommunika tion

zwischen Automatisierungskomponenten

und High-Definition-Videostreams

über dieselbe drahtlose Infrastruktur.

Heim-/Büronetz

Industrielle Umgebung

Schutzklasse IP20 Bis zu IP67

Temperatur 0… +30°C -40… +70°C

Material Plastik Metall

Stromversorgung 110/230 VAC 24 VDC

BILD 8: Für den industriellen

Einsatz muss die WLAN-Hardware

andere Eigenschaften besitzen als

in der Büroumgebung.

24

atp edition

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„UR-STANDARD“ BOT NUR 2 MBIT PRO SEKUNDE

Der „Ur-Standard“ IEEE 802.11 legacy aus dem Jahr 1997

nutzt das 2,4-GHz-ISM-Frequenzband und bietet lediglich

eine Brutto-Übertragungsrate von bis zu 2 Mbit/s. Im

großen Stil kamen WLAN-Produkte in der Industrie erst

einige Jahre später zum Einsatz, als der IEEE 802.11b-

Standard im gleichen Frequenzband eine Brutto-Übertragungsrate

von bis zu 11 Mbit/s ermöglichte. Hier wird

mit dem Modulationsverfahren Direct Sequence Spread

Spectrum (DSSS) das Trägersignal aufgespreizt, was

mehr Bandbreite erzeugt als für den eigentlichen Nutzdatenstrom

nötig wäre. Dadurch wird das Signal nahezu

unempfindlich gegenüber schmalbandigen Störungen im

selben Frequenzbereich. IEEE 802.11b kommt auch heute

noch in vielen Geräte, wie etwa Handhelds, zum Einsatz.

IEEE 802.11H ERSCHLIESST AUCH DEN AUSSENBEREICH

IEEE 802.11g ermöglicht einen höheren Brutto-Datendurchsatz

von bis zu 54 Mbit/s im 2,4-GHz-ISM-Frequenzband.

Die gleiche Datenübertragung nutzt der für

das 5-GHz-ISM-Band ausgelegte Standard IEEE 802.11a.

Zur Modulation verwenden beide Standards Orthogonal

Frequency Division Multiplexing (OFDM), das sich

durch mehrere einzelne schmalbandige Trägersignale

auszeichnet, über die der Nutzdatenstrom verteilt wird.

IEEE 802.11h wiederum ist eine Erweiterung des Standards

IEEE-802.11a. Er erschließt Anwendungen im Außenbereich,

höhere zulässige Sendeleistungen und weitere

Frequenzen. Diese muss er sich aber mit Primärnutzern

wie Radarsystemen sowie den Bereichen Meteorologie,

Militär oder Schifffahrt teilen. Für den

Sekundärnutzer sind somit bestimmte Protokolleigenschaften

verpflichtend vorgeschrieben: Beispielsweise

muss sich das WLAN selbst abschalten, sobald ein Primärnutzer

auf derselben Frequenz detektiert wird. Der

Access Point schaltet sich anschließend wieder ein und

sucht sich nach einem Scan des Frequenzbandes eine

Frequenz, in welcher der Primärnutzer nicht aktiv ist.

Diese Technik heißt Dynamic Frequency Selection (DFS).

NEUESTE WLAN-VERSION FÜR 600 MBIT/SEKUNDE

Der neueste Standard IEEE 802.11n definiert Brutto-Bandbreiten

von maximal 600 Mbit/s. In der Praxis hingegen

sind aufgrund der Hardwarebeschaffenheit zurzeit maximal

450 Mbit/s brutto verfügbar. IEEE 802.11n verwendet

die Frequenzbänder 2,4 GHz und 5 GHz. Durch die

Unterstützung beider Frequenzbänder vergrößert sich

unter anderem die Zahl der für das gesamte Netzwerk zur

Verfügung stehenden Kanäle. In der Praxis ist davon auszugehen,

dass im Falle einer Kombination des 2,4-GHz-

(drei Kanäle) mit dem 5-GHz-ISM-Frequenzband (19 Kanäle)

insgesamt 22 überlappungsfreie Kanäle verfügbar

sind. Allerdings müssen hier auch alle Netzwerk-Clients

– also Endgeräte wie Client-Module, Laptops oder Smartphones

– beide Frequenzen unterstützen.

Wie bei den herkömmlichen Standards kann sich ein

WLAN-Client mittels Roaming mit unterschiedlichen

Access Points und somit auch unterschiedlichen Kanälen

verbinden. Roaming bezeichnet die Übergabe der

Netzwerkverbindung des Clients von einem Access Point

zum anderen und wird eingesetzt, um die Reichweite

eines WLAN-Netzwerks zu vergrößern. Verwendet ein

Client den Standard IEEE 802.11n und unterstützt

2,4 GHz sowie 5 GHz, dann kann er sogar zwischen den

einzelnen Frequenzbändern wechseln. Das Roaming von

Clients zwischen Access Points mit unterschiedlichen

Frequenzbändern vereinfacht die Planung zuverlässiger

und störungsfreier WLAN-Netzwerke erheblich.

ZEHNMAL SCHNELLER ALS FAST ETHERNET

Mit einem Netto-Durchsatz von bis zu 220 Mbit/s unter

Idealbedingungen bietet der Standard IEEE 802.11n höhere

Datenraten als das Fast Ethernet. Durch diese im

Vergleich zu den bisherigen Standards nahezu zehnmal

höhere Netto-Übertragungsrate eröffnen sich viele neue

Möglichkeiten: beispielsweise die Kombination der

Kommunikation zwischen Automatisierungskomponenten

und High-Definition-Videostreams über dieselbe

drahtlose Infrastruktur oder der gleichzeitige Transfer

mehrerer High-Definition-Videostreams (Bild 7). Brutto-

Datenraten von 6,77 Gbit/s werden von dem neuen Standard

IEEE 802.11ac erwartet, der im 5 GHz-ISM-Frequenzband

arbeitet und Anfang 2014 verabschiedet

werden soll.

Der zweite Teil dieses Beitrags beschreibt in atp edition

10/2013 konkrete industrielle WLAN-Anwendungen

und die Möglichkeiten der Mobilfunknetze.

AUTOREN

Dipl.-Ing. JENS GREBNER ist

Product Manager für Industrial Remote

Commu nication bei Siemens.

Siemens AG,

Gleiwitzer Str. 555, D-90475 Nürnberg,

Tel. +49 (0) 911 895 28 94,

E-Mail: jens.grebner@siemens.com

B.Sc. SANDER ROTMENSEN ist

Product Manager Industrial Wireless

LAN bei Siemens.

Tel. +49 (0) 911 895 46 92,

E-Mail: sander.rotmensen@siemens.com

Dipl.-Betriebswirtin ROSWITHA SKOWRONEK

ist Marketing Manager für industrielle

Netzwerk komponenten bei Siemens.

Tel. +49 (0) 911 895 43 09,

E-Mail: roswitha.skowronek@siemens.com

atp edition

9 / 2013

25

HAUPTBEITRAG

Energie sparen in

geregelten Pumpensystemen

Vermeidbaren Druckverlust der Regelarmatur ermitteln

In Anlagen finden sich häufig Pumpensysteme mit überdimensionierten Pumpen. Ein

Energieeinsparpotenzial lässt sich erschließen, wenn es gelingt, den Anteil des Druckverlustes

der Regelarmatur zu ermitteln, der sich vermeiden ließe. Hierzu werden im

Beitrag Möglichkeiten aufgezeigt, die sich auf Daten aus der Anlage stützen. Diese erlauben

es, einen vermeidbaren Druckverlust zu bestimmen. Das ermöglicht es, den Leistungsbedarf

zu verringern, entweder durch eine Pumpe mit geringerer Leistung, vorzugsweise

durch das Abdrehen des Laufrads, oder alternativ durch eine Drehzahlverstellung. Bei

kleineren Pumpen in der chemischen Industrie stellt dabei – abhängig vom Einzelfall –

die nachträgliche Anpassung eine wirtschaftlich sinnvolle Alternative dar.

SCHLAGWÖRTER Pumpe / Energieeinsparung / Drosselregelung / Abdrehen Laufrad

Energy conservation in controlled pump systems –

Identifying avoidable pressure losses in throttle control systems

Industrial plants frequently employ oversized pumps, so that energy consumption may be

unnecessarily high. Reductions are possible by determining the avoidable pressure drop

caused by excessive control valve throttling. Ways are described to identify this avoidable

pressure drop, based on data extracted from the plant. Utilising the data it is possible to

lower energy consumption by choosing another pump, trimming the impeller, or alternatively

switching to a variable speed drive. In the process industry, where the majority of

centrifugal pumps have relatively low power ratings, trimming the impeller frequently

turns out to be rather economical.

KEYWORDS pump / energy conservation / throttle control systems / trimmed impeller

26

atp edition

9 / 2013

WALTER SCHICKETANZ, Pumpenfachingenieur

Die Einsparung elektrischer Energie ist ein Ziel,

das den regulatorischen Vorgaben entspringt

und unter dem Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit

zunehmend an Bedeutung gewinnt.

Eine Untersuchung von Pumpen, vorwiegend in

Unternehmen der chemischen Industrie, erfasste etwa

35 000 Strömungspumpen mit bekannter Hydraulik [1].

Dabei zeigte sich, dass der Anteil der Chemie-Norm-Pumpe

bei etwa zwei Drittel liegt. Insgesamt weisen mehr als

drei Viertel aller Pumpen eine Leistung von weniger als

15 kW auf. Die Pumpen werden zum größten Teil kontinuierlich

betrieben. Während bei Neuanlagen die Drehzahlverstellung

mittels Frequenzumrichter – üblicherweise

ab einer bestimmten Leistung (zum Beispiel 10 kW

[2]) in Betracht gezogen – einen geringen Energiebedarf

verspricht, steckt in installierten Pumpensystemen ein

Einsparpotenzial, welches sich nur durch nachträgliche

Modifikationen heben lässt; um dieses abzuschätzen,

müssen der tatsächlich erforderliche Betriebspunkt und

das Lastprofil ermittelt werden.

Der Leistungsbedarf einer Pumpe wird bestimmt durch

den Betriebspunkt, das heißt Förderleistung und Systemdruck;

letzterer setzt sich aus dem statischen und dynamischen

Druckverlust sowie gegebenenfalls dem einer

Regelarmatur zusammen. Die Regelung in Anlagen erfolgt

in erster Linie mit Hilfe von Stellarmaturen, die angedrosselt

werden (Drosselregelung). Liegt der tatsächliche

Druckverlust des Systems unter dem, der berechnet worden

ist, so muss die Regelarmatur einen höheren Druckverlust

erzeugen als eigentlich erforderlich wäre. Diese

Differenz wird als vermeidbarer Druckverlust bezeichnet.

Er resultiert aus Unsicherheiten bei der Anlagenplanung,

wo zum Beispiel mit Widerstandsbeiwerten aus der Literatur,

grob geschätzten Verläufen der Rohrleitungen gearbeitet

werden muss; bei Pumpen sind Toleranzen zu berücksichtigen.

Dies führt zum Teil zu überhöhten Sicherheitszuschlägen,

die sich aufgrund des Planungsablaufs

im Allgemeinen später nicht mehr revidieren lassen; überdimensionierte

Systeme sind daher fast unvermeidlich.

Der Druckverlust und damit der Leistungsbedarf eines

Systems lässt sich durch folgende Alternativen reduzieren:

a | Anpassung der Pumpe, wobei der vermeidbare

Druckverlust mehr oder weniger eliminiert wird,

b | Änderung der Drehzahl der Pumpe, wobei gegebenenfalls

eine Drehzahlregelung implementiert wird.

1. VERMEIDBARER DRUCKVERLUST

Wenn die Pumpencharakteristik und die Leistungsaufnahme

ermittelt werden, wofür der Markt verschiedene

Messsysteme bietet, so lässt sich abschätzen, inwieweit

der Förderstrom der Auslegung entspricht und ob die

eingesetzte Pumpe mit hinlänglichem Wirkungsgrad

arbeitet. Der vermeidbare Druckverlust des Systems lässt

sich jedoch so nicht feststellen. Erst wenn dieser ermittelt

ist, kann ein Energieeinsparpotenzial abgeschätzt

und erschlossen werden.

Ein Weg dazu eröffnet sich – abgesehen von einer

meist wenig genauen Nachrechnung – falls es möglich

ist, die Armatur, die die Drosselung bewirkt, voll zu öffnen;

dabei kann es sich um eine Hand- oder Regelarmatur

handeln [3]. In der chemischen Industrie dürfte dieses

Vorgehen allerdings nur in Einzelfällen möglich sein, da

die Gefahr besteht, dass durch den damit verbundenen

Anstieg des Durchflusses die Produktion behindert wird

oder zusammenbricht. Erfolgt ein derartiger Versuch in

einer nicht produzierenden Anlage, so kommt dem meist

eine nur geringe Aussagekraft zu. Es wird daher im Beitrag

aufgezeigt, wie sich ein vermeidbarer Druckverlust

in einer laufenden Anlage ermitteln lässt, ohne dabei den

Betrieb zu beeinträchtigen oder zu stören.

1.1 Darstellung im H-Q-Diagramm

Das Bild 1 zeigt ein einfaches Pumpensystem, wobei die

Regelarmatur RV ihr Stellsignal von einem Regler innerhalb

des Systems – hier vom Standregler LC – oder vom

übergeordneten Prozess erhält. Sie drosselt den Durchfluss

so weit an, dass der Soll-Förderstrom Q S erzielt

wird. Der zu überwindende Druck des Systems setzt sich

atp edition

9 / 2013

27

HAUPTBEITRAG

zusammen aus der statischen Druckdifferenz, inklusive

der geodätischen Höhe H g , und dem dynamischen Druckverlust

sowie dem des Aktors.

Der Betriebspunkt des Systems wird in einem H-Q-

Diagramm dargestellt, siehe Bild 2. Den Ausgangspunkt

bildet der berechnete Druckbedarf des Systems ohne

Berücksichtigung der Regelarmaturen, das heißt Punkt

B‘ beim Volllast-Soll-Durchfluss Q S . Dazu addiert sich

der Druckverlust der Regelarmatur, was im Idealfall den

Druck ergibt, den die Pumpe zu liefern hat, Punkt B.

Dieser liegt auf der Pumpenkennlinie H p = f (Q). (In vielen

Fällen wird die Pumpe einen etwas höheren Druck

liefern als erforderlich ist, was eine weitere Erhöhung

des Druckverlusts der Regelarmatur erzwingt.) Sinkt nun

der Druckverlust des Systems infolge der Überschätzung

auf den Wert R’, der auf der tatsächlichen Druckverlaufskurve

des Systems H oRV liegt, so muss die Regelarmatur

die Druckdifferenz der Punkte B minus R’ bewältigen.

Diese Differenz enthält einen vermeidbaren Druckverlust

B’ minus R’. Wird dieser vom Betriebspunkt B abgezogen,

so ergibt sich der Punkt R, der um diesen Wert,

das heißt ∆H V , unter dem ursprünglichen Punkt B liegt.

R stellt somit den Auslegungspunkt einer hypothetischen

– das heißt einer neuen oder modifizierten – Pumpe

dar, die einen entsprechend reduzierten Leistungsbedarf

aufweist. Die Druckhöhe von B folgt aus der Druckmessung

auf der Druckseite der Pumpe unter Berücksichtigung

der statischen Druckverhältnisse am Messort

und eventuell des Geschwindigkeitsterms. Für die Regelung

steht also im Falle einer Pumpe mit dem Arbeitspunkt

R die Druckdifferenz R minus R’ zur Verfügung.

Diese deckt auch den Punkt R’’ ab, der sich ergibt, wenn

der bleibende Druckverlust der voll geöffneten Regelarmatur

(Widerstandsbeiwert ξ) zur Druckverlaufskurve

des Systems H oRV addiert wird; letztere beginnt beim

Durchfluss Q = 0 mit der statischen Druckhöhe und

steigt stetig an.

1.2 Ermittlung

Da die überdimensionierte Pumpe einen zu hohen Druck

liefert, muss die Regelarmatur ihren Hub auf einen Wert

reduzieren, der unter dem der Auslegung liegt, das heißt

die Armatur drosselt stärker an als geplant. Aus dem Hub

beziehungsweise dem k v -Wert am Betriebspunkt B lässt

sich der tatsächliche Druckverlust der Regelarmatur bei Q S

berechnen. Bei der Planung wird für diesen meist ein Erfahrungswert

herangezogen. Wird die Differenz der beiden

Werte angesetzt, so ergibt sich ein vermeidbarer Druckverlust,

wobei die tatsächliche Druckverlaufskurve H oRV nicht

bekannt sein muss. (Erfahrungswerte für den Druckverlust

der Regelarmatur, wie 0,5–1 bar oder 10 % und mehr des

dynamischen Druckverlusts des Systems, siehe zum Beispiel

[4], bei einem empirisch festgelegten Hub.)

Ein höherer Wert für den vermeidbaren Druckverlust

ergäbe sich, wenn die Regelarmatur am Betriebspunkt R

der hypothetischen Pumpe so weit geöffnet wäre, dass

sich alle Regelschwingungen gerade noch abdecken lassen,

der Hub also gegen 100 % geht. Dieser Hub lässt sich

im Betrieb ermitteln, falls der Regelarmatur eine weitere

Armatur vor- oder nachgeschaltet ist, und sich der Durchfluss

messen lässt. Bild 3 stellt die Vorgehensweise schematisch

dar: Während ein Handventil V2 angedrosselt

wird, wird die Regelung die Regelarmatur V1 auffahren.

Dabei muss der Durchfluss konstant gehalten werden,

zum Beispiel mit Hilfe eines anklemmbaren Messgeräts,

Symbol FI (Leistungsaufnahme und pumpendruckseitiger

Druck haben ebenfalls konstant zu bleiben.). Vom

normalen Betrieb mit dem Hub h B fährt die Regelung die

Armatur V1 auf den Hub h R . Die Werte für h B und h R lassen

sich mehr oder weniger genau feststellen. Es wird

also ein Teil des Druckverlusts der Regelarmatur V1 auf

die Armatur V2 verlagert, wobei die Summe der Druckverluste

von V1 und V2 konstant bleibt; so werden die

Strömungsverhältnisse an V1 simuliert, die denen am

Betriebspunkt R entsprechen (inkompressible Flüssigkeit).

Da es meist relativ schwierig ist, Handarmaturen

feinfühlig zu drosseln, muss dazu eventuell für V2 eine

Art Untersetzungsgetriebe eingesetzt werden.

In der Regelungstechnik wird der Durchflusskoeffizient

k V einer Regelarmatur durch eine dimensionsbehaftete

Gleichung [4] definiert. Aus dieser abgeleitet folgt

bei konstantem Durchfluss Q S die Druckdifferenz zwischen

den Hüben h B und h R ,

(

(

ρ

Δpv = Q S ² ∙ ∙ 1 – 1

1000

{

[k v (h B )]² [k v (h R )]²

{

(1)

Die Funktion k v = f (h) der jeweiligen Regelarmatur ist

bekannt; hierzu stellt der Armaturenhersteller entweder

genaue Daten bereit oder gibt die Art der Ventilcharakteristik

und den k v -Wert der Ventilserie an. In jedem Fall

müssen die Toleranzen Berücksichtigung finden. Wird die

in der Pumpentechnik gängige Druckhöhe in [m] Flüssigkeitssäule

anstelle des Drucks benutzt, so führt dies zu:

∆H V = ∆p v ∙

100 000

(g ∙ ρ) (2)

Lässt sich die Druckdifferenz direkt messen, so erübrigt

sich natürlich die Berechnung.

1.3 Festlegung des Hubs der Regelarmatur

Um das Maximum des vermeidbaren Druckverlusts zu

erzielen, sollte die Regelarmatur beim Durchfluss Q S möglichst

weit geöffnet sein; zugleich muss die Regelung aber

noch alle Störungen problemlos ausregeln können; es gilt,

das Spiel der Regelung abzudecken. Die beschriebene Vorgehensweise,

das heißt die Verlagerung eines Teils des

Druckverlusts von der Regelarmatur V1 auf eine Handarmatur

V2, ermöglicht, den entsprechenden Hub h R bei

laufendem Betrieb zu ermitteln ohne diesen zu stören:

Da Q S der Durchfluss bei Volllast ist, könnte zum

Beispiel bei einem Hubventil eine Öffnung beziehungsweise

ein k V von 90 % genügen, um das Spiel

der Regelung abzudecken [5], was im Betrieb verifiziert

werden sollte.

Aus den Betriebsprotokollen ergibt sich im Allgemeinen

die Schwankungsbreite der Abweichungen

vom Solldurchfluss Q S (und eventuell des Hubs),

verursacht durch das Spiel der Regelung. Ebenso

lässt sich feststellen, inwieweit Abweichungen infolge

besonderer Betriebszustände, zum Beispiel

beim Anfahren, aufgetreten sind. Daraus ergibt sich

der maximale Durchfluss Q Smax , von dem aus sich

auf den Hub h R zurückrechnen lässt.

28

atp edition

9 / 2013

Das genannte Procedere wird mehrfach angewendet,

wobei der Hub der Regelarmatur in vorsichtigen

Schritten erhöht und dabei das Regelverhalten beobachtet

wird. So gelingt es, sich an den maximal

möglichen Hub h R bei Q S heranzutasten, der infolge

der Regelschwankungen den maximalen Durchfluss

Q Smax verlangt. (Gegebenenfalls werden Störungen

aufgeprägt und ein Neutuning des Reglers vorgenommen.)

Auf diese Weise kommt ein relativ großer

Hub zustande, womit sich ein erhebliches Energieeinsparpotenzial

erschließen lässt.

Wurde ein Hub h R – wie beschrieben – ermittelt und der

entsprechende vermeidbare Druckverlust ∆H V errechnet,

so definiert dies den Betriebspunkt R, siehe Bild 2. Dieser

ließe sich mit der hypothetischen Pumpe erzielen, wobei

dann die Armatur V2 vollständig geöffnet sein muss.

2. VERTEILUNGSSYSTEME

Ein Pumpensystem besitzt häufig parallele Stränge, die

die Flüssigkeit auf mehrere Verbraucher verteilen. Dabei

wird es Abschnitte geben, die vom gesamten Strom

durchflossen werden sowie Stränge, in denen nur ein

Teilstrom fließt. Einer der Strömungswege mit seinem

Strang wird den Druck bestimmen, den die Pumpe erzielen

muss. Ein typisches offenes Verteilungssystem

stellt Bild 4 dar. Unmittelbar auf der Pumpendruckseite

befindet sich meist ein Manometer und es zweigt ein

By-Pass ab, der den Mindestdurchfluss der Pumpe garantiert.

Danach folgen eine Rückschlagklappe und die

druckseitige Absperrarmatur V2. Der druckverlustbestimmende

Strang 1 führt vom Verzweigungspunkt VZ

zum Verbraucher B1; in diesem Strang sitzt die Regelarmatur

V1. Parallel dazu verläuft der Strang 2, der lediglich

ein dynamisches Widerstandsglied aufweist, hier

repräsentiert durch die Blende F. Besitzt der Strang 1

keine geeignete Handarmatur, so wird für das geschilderte

Procedere die üblicherweise vorhandene druckseitige

Absperrarmatur V2 herangezogen und wie oben

geschildert vorgegangen. Infolge des Androsselns dieser

Armatur sinkt der Druck an der Verzweigungsstelle VZ;

damit steht dem Strang 2 eine geringere Druckdifferenz

zur Verfügung. Es besteht daher die Gefahr, dass ein

derartiger Strang nicht mehr den bestimmungsgemäßen

Durchfluss erzielt. Diese Gefahr besteht auch dann, wenn

später eine Pumpe eingesetzt wird, die einen Betriebspunkt

R mit reduzierter Druckhöhe aufweist.

3. ANPASSUNG DES LAUFRADS

3.1 Abdrehen

Um einen vorgegebenen Betriebspunkt zu erzielen, wird

das Laufrad von Zentrifugalpumpen aus zerspanbarem

Werkstoff meist bereits herstellerseitig abgedreht, das

heißt im Durchmesser reduziert. Diese Anpassung – vorwiegend

bei Radialkreiselpumpen – stellt eine leicht

durchführbare Maßnahme dar. Mit Hilfe der Literatur

oder den Unterlagen des Herstellers lässt sich der reduzierte

Durchmesser einfach ermitteln. Bei mehrstufigen

Kreiselpumpen lassen sich Blindräder anstelle aktiver

Laufräder montieren. In manchen Fällen kann es sinnvoll

sein, eine neue Pumpe einzusetzen. Bei Kreiselpumpen

mit hoher Leistung, die häufig eine höhere spezifische

Drehzahl aufweisen, gestaltet sich eine Anpassung

meist aufwendig und ist kaum sinnvoll.

Bei Verteilungssystemen ist es wichtig, zu beachten, dass

durch die reduzierte Druckhöhe einer modifizierten Pumpe

die zuvor erwähnte Gefahr besteht, dass Stränge ohne

Regelungen, das heißt nur mit dynamischen Widerstandsgliedern,

nicht ihren erforderlichen Durchfluss erzielen.

3.2 Ermittlung des maximalen Durchflusses

Wäre die Pumpenkennlinie der Pumpe (Bild 2) mit dem

ursprünglichen Laufrad nur in den Punkt R verschoben,

so würde die Regelarmatur V1 wie im Betriebsversuch

arbeiten. Wegen der Verschiebung des Betriebspunkts

von B nach R sowie des sinkenden Laufraddurchmessers

ist die Pumpenkennlinie durch R jedoch meist etwas

stärker gekrümmt; dies hat zur Folge, dass beim Überschwingen

der Regelarmatur, das heißt über Q S hinaus,

BILD 2: H-Q-Diagramm

eines Pumpensystems

mit den Betriebspunkt B

bei überdimensionierter

Pumpe und dem Punkt R

bei vermeidbarem

Druckverlust ∆H V

BILD 1: Einfaches Pumpensystem mit Drosselregelung;

geodätische Höhe Hg plus Druckdifferenz

(p2-p1) ergibt statische Druckdifferenz.

atp edition

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29

HAUPTBEITRAG

BILD 3: Vorgehensweise zur Ermittlung

des vermeidbaren Druckverlusts

mit Hilfe einer Regelarmatur

BILD 4: Typisches Verteilungssystem, Strang 1 geregelt, Strang 2

ohne Regelung, nur mit dynamischem Strömungswiderstand

sich die verfügbaren Druckdifferenzen leicht reduzieren.

Wurde durch Herantasten eine relativ große Öffnung der

Regelarmatur erreicht und die dabei auftretenden

Schwankungen des Durchflusses ermittelt, so muss sichergestellt

werden, dass der zugehörige maximale

Durchfluss Q Smax durch die angepasste Pumpe erzielt

beziehungsweise etwas übertroffen werden kann. Wird

eine neue kleinere Pumpe eingesetzt, so versteht sich

diese Berechnung von selbst.

Es gilt daher zu ermitteln, welchen maximalen Durchfluss

die voll geöffnete Regelarmatur erlaubt. Dazu wird aus dem

K V100 - beziehungsweise K VS -Wert der Regelarmatur deren

Widerstandsbeiwert bei voller Öffnung mit Hilfe der dimensionsbehafteten

Beziehung berechnet, hier mit d in cm:

1,620 π² d

ξ = 4

=

(K VS )²

16 d 4

(K VS )² (3)

Der daraus resultierende Druckverlustterm wird zu

der Druckverlaufskurve H oRV addiert. Der Schnittpunkt

mit der Pumpenkennlinie der modifizierten Pumpe

ergibt den maximalen Durchfluss, der sich jetzt erzielen

lässt. H oRV kann mit Hilfe der beiden bekannten Punkte,

R‘ und der statischen Druckhöhe, abgeschätzt werden;

sinnvoll ist es aber, mehrere Punkte zu ermitteln. Dabei

ist zu beachten, dass im Falle eines Verteilungssystems

die Druckverlustkurve des maßgeblichen Strömungswegs

H oRV auch bei voll turbulenter Strömung nicht

notwendigerweise einer einfachen Parabel entspricht.

Die Gleichung (3) zeigt, dass sich mit einer widerstandsarmen

Regelarmatur der Durchfluss erhöhen lässt,

was durch einen Austausch der Armatur oder der Sitzgarnitur

geschehen kann. Auf diese Weise vergrößert sich bei

einer Pumpe mit dem Betriebspunkt R der maximal erzielbare

Durchfluss Q Smax im Vergleich zu dem der installierten

Regelarmatur noch etwas. Der Einfluss dieser Maßnahme

ist meist nicht allzu groß; er hängt von den gewählten

Parametern am Betriebspunkt sowie der Pumpenkennlinie

und der Druckverlaufskurve des Systems ab. Ferner

ist zu beachten, dass Regelarmaturen, insbesondere bei

gleichprozentiger Charakteristik, nahe der vollständigen

Öffnung Probleme bezüglich der Stabilität aufwerfen können.

Eine modifizierte Charakteristik schafft hier Abhilfe.

4. DREHZAHLVERSTELLUNG

Der Betriebspunkt R lässt sich auch erreichen, indem die

Drehzahl der Pumpe verringert wird. Besitzt diese ein

mechanisches Getriebe, so ist eine neue Festdrehzahl

meist unkompliziert einstellbar.

Wird eine elektronische Drehzahlverstellung mit Hilfe

eines Frequenzumformers gewählt, so lässt sich die

Drosselregelung vielfach vollständig durch eine Drehzahlregelung

ersetzen, was die Energieeinsparung vergrößert.

Dies führt zum Betriebspunkt R’ in Bild 2. In

einem bestehenden System kann das Lastprofil gemessen

werden, was die Wirtschaftlichkeit dieser Nachrüstungsmaßnahme

wesentlich bestimmt. Aber selbst bei

manchen, stark unterschiedlichen Betriebsfällen – wie

zum Beispiel periodisches Fördern aus einem Tank sowie

Umwälzen des Tankinhalts – ist nicht unbedingt

der Einsatz einer Drehzahlverstellung sinnvoll; hier

genügt häufig eine sorgfältige Planung und Inbetriebnahme.

5. VERGLEICH

Eine Entscheidung zwischen den Alternativen a) und b)

erfolgt im Allgemeinen auf Grund einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung,

basierend auf den jeweiligen Investitions-

und Betriebskosten. Für die Drehzahlregelung

finden sich Richtwerte für den Umformer von 100–200 €

pro kW Pumpenleistung und Installationskosten von

etwa 2000 € je Pumpeneinheit [6]. Allerdings scheinen

hierbei Ingenieurkosten und die Belange der chemischen

Industrie [2], das heißt in erster Linie die Erfordernisse

bezüglich des Explosionsschutzes, sowie die Einbindung

in ein Prozessleitsystem nicht berücksichtigt worden zu

sein. Im Falle, dass die gleiche Funktionalität wie bei

der Drosselregelung erforderlich ist, dürften zudem die

Kosten für die Umstellung eines Systems auf eine Drehzahlregelung

deutlich steigen, zum Beispiel bei einer

Absperrung zu Verbrauchern. Da ein Großteil der Pumpensysteme

eine installierte Reservepumpe besitzt (etwa

80 % nach [1]), kommen gegebenenfalls Kosten für das

30

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9 / 2013

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Umrüsten des Systems hinzu. Der Verzicht auf eine

Reservepumpe ist aber kaum möglich, da – sachgerechte

Auslegung vorausgesetzt – bei der Drossel- und

bei der Drehzahlregelung prozessseitig die gleichen

Probleme auftreten werden; darüber hinaus erhöht

der Umrichter tendenziell die Ausfallwahrscheinlichkeit

geringfügig.

Die Kosten für die Laufradanpassung betragen bis

zu 1000 € pro Pumpe [6]. Das Anpassen des Laufrads

oder die Installation einer kleineren Pumpe gestaltet

sich dann kostenmäßig besonders vorteilhaft, wenn

dies im Rahmen von Wartungs- oder Reparaturarbeiten

geschieht. Es ist sinnvoll, die Reservepumpe mit

einem Originallaufrad zu versehen, sodass im Notfall

darauf zurückgegriffen werden kann, falls der Durchfluss

erhöht werden soll.

Mit den genannten Kosten und unter Berücksichtigung

der Erfordernisse der chemischen Industrie

wurden die Lebenszykluskosten für die Nachrüstung

eines Pumpensystems ausgerechnet. Dem Beispiel

lag ein Pumpen-Leistungsbedarf von etwa

12 kW und ein Betriebsbereich nahe dem Auslegungsdurchfluss

zugrunde. Es zeigte sich, dass das

Abdrehen im Vergleich zur Drehzahlregelung die

wirtschaftlich günstigere Alternative darstellt; dies

gilt, obwohl zusätzliche Kosten des Umrichterbetriebs,

wie höherer Schaltraumkühlungsbedarf, höhere

Ingenieurleistungen, Instandhaltungskosten

ausgeklammert wurden. Dies bestätigt ein ähnliches

Beispiel [7], wobei dort auf die Ermittlung des vermeidbaren

Druckverlusts nicht eingegangen wurde.

Andererseits kann sich die Nachrüstung mit einer

Drehzahlregelung bei etwas höherem Leistungsbedarf

und einigen Vereinfachungen als wirtschaftlich

erweisen, wobei dies in erster Linie vom Lastprofil

abhängt [8].

Bei kleiner Leistung erscheint es somit sinnvoll,

das Energieeinsparpotenzial installierter Pumpensysteme

durch Anpassung der Pumpe ins Auge zu

fassen, siehe auch [2]; dies gilt insbesondere, wenn

sich die Abweichungen vom Auslegungsdurchfluss

in Grenzen halten. Es ist selbstverständlich erforderlich,

den Einzelfall zu betrachten, da Gesamtinvestitionskosten,

Leistungsbedarf und Lastprofil und unternehmensspezifische

Faktoren wie Lebenszykluszeit,

Diskontsatz und Energiekosten die Wirtschaftlichkeit

wesentlich bestimmen.

Abgesehen von der Höhe des Leistungsbedarfs und

der Gestalt des Lastprofils lässt sich qualitativ sagen,

dass sich die Drehzahlregelung von Kreiselpumpen

bei Nachrüstung und bei einer Neuanlage umso

günstiger gestaltet, je

steiler die Pumpenkennlinie abfällt

(Pumpen höherer spezifischer Drehzahl),

höher der dynamische Anteil am druckverlustbestimmenden

Strömungsweg liegt

(geschlossene Systeme),

flacher beziehungsweise steiler fallend die

Leistungsaufnahme über dem Förderstrom

verläuft (ebenfalls Pumpen höherer

spezifischer Drehzahl),

höher die Kosten einer Regelarmatur liegen

(teurer Werkstoff; nur bei Neuanlage).

atp edition erscheint in der DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München

Die Referenzklasse für die


atp edition ist das Fachmagazin für die Automatisierungstechnik.

Die Qualität der wissenschaftlichen Hauptbeiträge

sichert ein strenges Peer-Review-Verfahren. Bezug zur

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HAUPTBEITRAG

FAZIT

Der aus einer Überdimensionierung einer Strömungspumpe

resultierende vermeidbare Druckverlust eines geregelten

Pumpensystems lässt sich im laufenden Betrieb einer

Anlage ermitteln; dabei muss bei einem Verteilungssystem

die Regelarmatur im druckverlustbestimmenden

Strömungsweg liegen. Schon ein Rückgriff auf die ursprünglichen

Auslegungsdaten der Regelarmatur kann

die Basis für eine Einsparung durch eine Reduktion des

Leistungsbedarfs der Pumpe sein, beispielsweise durch

Abdrehen des Laufrads. Werden Daten aus dem Betrieb

im Detail analysiert und darüber hinaus Betriebsversuche

gemacht, so kann dies die Grundlage für die größtmögliche

Einsparung bilden; diese Betriebsversuche lassen sich

durchführen, ohne den Betrieb zu beeinflussen oder zu

stören. Sie zielen darauf ab, den maximalen Hub der Regelarmatur

zu ermitteln, der noch sicher das Spiel der

Regelung abdeckt. Dies führt zum maximalen Einsparpotenzial

einer angepassten Pumpe. Aus Daten des Betriebs

lässt sich ebenso das Einsparpotenzial einer Drehzahlregelung

herleiten, was es erlaubt, Nachrüstmaßnahmen

unter wirtschaftlichen Aspekten zu vergleichen.

In allen Fällen ist eine enge interdisziplinäre Zusammenarbeit

notwendig; für die Messungen im Betrieb sind

in erster Linie der MSR-Betriebsingenieur und das Betriebspersonal

zuständig. Die Auswertung und die Errechnung

der Daten für die Modifikation der Pumpe erfolgt

dann durch den Prozessingenieur und/oder die

Fachleute für Pumpen.

MANUSKRIPTEINGANG

24.03.2013

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet

FORMELZEICHEN

AUTOR

d Durchmesser Rohrleitung/Armatur [cm/m]

h relativer Hub [-]

H Druckhöhe [m]

HoRV Druckverlustverlauf System ohne Regelarmatur [m]

kV Durchflusskoeffizient Regelarmatur [m³/h]

HP Pumpenkennlinie

KVS nominaler Durchflusskoeffizient Regelarmatur [m³/h]

p Druck [bar]

Q Durchfluss [m³/h]

∆H Differenzdruckhöhe [m]

∆p Differenzdruck [bar]

ρ Dichte [kg/m³]

ξ Widerstandsbeiwert [-]

Indici:

B Betrieb

g geodätisch

R reduziert

S am Auslegungs-/maximalen Betriebspunkt

Smax maximaler Wert infolge der Regelung

V Verlust (unnötiger)

Dr.-Ing. WALTER SCHICKE-

TANZ (geb. 1941), Studium

der Verfahrenstechnik an der

TU München. Nach externer

Tätigkeit dort Promotion und

Eintritt in ein internationales

Unternehmen der Chemischen

Industrie. Vorwiegend

in der Projektierung von

Chemieanlagen im In-und Ausland tätig sowie

Management einer Einheit zur Projektierung von

Anlagen für ein Produktsegment. Nach Pensionierung

Beratertätigkeit sowie Mitarbeit bei

Pumpenfachinigenieur GmbH.

Pumpenfachingenieur GmbH,

Walter Schicketanz,

Heubergstr. 11, D-83026 Rosenheim,

Tel. +49 (0) 8031 797 72 97,

E-Mail: cuw22schicketanz@hotmail.de

REFERENZEN

[1] Kollmar, D., Heller, T., Kohlmann, B.: Abschlussbericht des

Verbundprojekts Zuverlässigkeitsprognose von mechatronischen

Systemen zur Ableitung restnutzungsdauerbezogener

Betriebs- und Instandhaltungsstrategien, 2010. http://www.

iml.fraunhofer.de/content/dam/iml/de/documents/OE%20

240/10-12-20_ReMain_Abschlussbericht_final.pdf

[2] Bieniek, K..: Elektrische Antriebe in der Verfahrenstechnik,

S.76 ff.. VDI 2006

[3] Schicketanz, W.: Reducing avoidable pressure loss. World

Pumps 2011(532), S 18-21. Jan. 2011,

[4] Strohrmann, G.: Automatisierung verfahrenstech nischer

Prozesse. Oldenbourg Industrieverlag 2002

[5] Yu, F.: Allowable liquid control valve pressure drops.

Hydrocarbon Processing 86, S.107-113, July 2007

[6] Beer, M. et al.: CO2-Verminderung in Deutschland,

Teil II – Umwandlung und Industrie, S.123-124.

FfE-Forschungsstelle 2009

[7] Europump/Hydraulic Institute: Pump Life Cycle Costs,

Executive Summary, S.12, 2000.

[8] Lehrmann, C.: Nachrüstung von Frequenzumrichtern

– Energiesparpotentiale zum Antrieb von Strömungsmaschinen

in der chemischen Industrie. atp – Automatisierungstechnische

Praxis 51(3), S. 22-28, 2009

32

atp edition

9 / 2013

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HAUPTBEITRAG

Standardprofile für

elektrische Geräte

Ein IEC 61131-Funktionsbausteinkonzept

Moderne Prozessleitsysteme (PLS) erlauben es, branchen- und kundenspezifische Automatisierungslösungen

anzubieten. Entsprechend vielfältig sind die Möglichkeiten, Motoransteuerungen

anwendungs- und kundenspezifisch in diese PLS zu integrieren. Dies

umfasst unzählige Varianten der Geräteparametrisierung und unterschiedliche Definitionen

des zyklischen Prozessabbildes und der Laufzeitüberwachung der elektrischen Geräte.

Dieser Beitrag präsentiert einen Ansatz, wie sich die Geräteintegration vereinfachen

lässt, indem er Motorsteuerung und Gerätediagnose vereinheitlicht aus Sicht der PLS-

Applikationen beschreibt. Die Praxistauglichkeit wurde mit einer prototypischen Implementierung

verifiziert.

SCHLAGWÖRTER IEC 61131-Engineering / Objektorientierte Profilbildung / Generalisierte

Motoransteuerung

Model-based engineering with standard actor profiles –

Efficient creation of IEC 61131 function libraries

Process control systems (PCS) now make it possible to offer industry and customer specific

solutions. There are many ways to integrate motor control into the PCS, including

device parameterization, the definition of cyclic process image, and watchdog timing.

This article presents an approach to simplifying device integration by motor control and

device diagnosis from the PCS-application point of view. The viability of this approach

was demonstrated for a prototype implementation.

KEYWORDS electrical integration / process control / connectivity profiles / alarming and

sequence of events

34

atp edition

9 / 2013

JÜRGEN GREIFENEDER, DIRK SCHULZ, PABLO RODRIGUEZ, ABB Forschungszentrum

Die Integration von elektrischen Geräten in Leitsysteme

erfordert immer mehr Zeit. Dies liegt

an der zunehmenden Komplexität der Geräte

und an der Vielfalt von branchen- und kundenspezifischen

Lösungen. Die Anpassungen reichen

von speziellen Bedienelementen über die Auswahl

anzuzeigender Information bis hin zur Parametrisierung

der Geräte sowie der IEC 61131 [1] Motorsteuerblöcke und

leztlich der Ansteuerung der elektrischen Geräte durch

ein definiertes Prozessabbild (Bild 1). Die im Beitrag betrachteten

Geräteklassen umfassen das Spektrum von

Motorstartern, über Sanftanlasser, Breaker und Frequenzumrichter,

bis zu Niederspannungsschaltanlagen.

Das Branchensegment und der Kunde beeinflussen

erheblich die Komplexität, da projektspezifische Ausprägungen

der Motorsteuerung, wie Design und Inhalt der

Bedienoberflächen zu berücksichtigen sind. Dementsprechend

wird in Bild 1 zwischen branchenspezifischen

und kundenspezifischen Funktionsbausteinen unterschieden.

Hinzu kommen gerätespezifische Steueranwendungen,

wie Logikverschaltungen. Die zugehörigen

Variablensätze gehen in die Tausende und betreffen die

Bereiche Steuerung, Bedienung, Status, Messwerte,

Feedback und Optimierung der Motoransteuerung.

Bild 2 zeigt anhand einer prinzipiellen Abschätzung,

dass durch Anzahl der Branchensegmente n mal Anzahl

der Geräteklassen k (Motorstarter, Sanftanlasser, Frequenzumrichter,

Niederspannungsschaltanlagen) mal

Anzahl der Gerätehersteller m ein Komplexitätsgrad entsteht,

der mitverantwortlich ist für steigende Engineeringkosten.

Je Branchensegment findet man häufig eine

eigene Schicht, welche durch die Anfertigung branchenspezifischer

Funktionsbibliotheken gekennzeichnet ist

und den Zweck hat, die Komplexität beim Engineering

zu reduzieren. Dieser Vorteil beim späteren Engineering

verursacht jedoch einen deutlich erhöhten Komplexitätsgrad

bei der Wartung der Bibliotheken.

Es überrascht dabei wenig, dass bei verschiedenen

Umsetzungen selbst die gleichen Signale unterschiedliche

Bezeichner besitzen, unterschiedliche Wertebereiche

und Skalierungen aufweisen (zum Beispiel Prozent

eines an anderer Stelle parametrierten Wertebereichs

oder direkt die physikalische Einheit) oder unterschiedliche

Herkunft sowie unterschiedliche Abonnenten besitzen.

Und sie werden auf unterschiedlichen Kanälen,

mit unterschiedlicher Priorität sowie unterschiedlicher

Abtastrate beziehungsweise Zugriffsverfahren abgefragt

und bereitgestellt.

Die Vielzahl der Lösungen geht also auf berechtigte

branchen- und projektspezifische Unterschiede zurück

und auf eine fehlende Abstimmung zwischen den Geräteherstellern,

Anbietern von Prozessleitsystemen und

den Engineering-Unternehmen. Ein weiteres Problem

entsteht daraus, dass für das Engineering von heute Hersteller

und Typ des elektrischen Geräts im Detail feststehen

müssen und erst dann mit den eigentlichen Arbeitsschritten

begonnen werden kann. Das bedeutet, dass eine

spätere Änderung des Gerätetyps oder Gerätelieferanten

aufwendige Nacharbeiten zur Folge hat.

Die hieraus resultierenden Unterschiede bei den Implementierungen

beeinflussen zunehmend die spätere

Austauschbarkeit, den Wartungsaufwand und die Möglichkeiten

der Weiterentwicklung.

Der Wunsch, zumindest die Gemeinsamkeiten zu standardisieren,

ist verständlich, wenn auch leichter ausgesprochen

als realisiert. Der Beitrag setzt sich daher mit

der Frage auseinander, wie eine vereinheitlichte, profilbasierte

Verbindung zwischen den in GSD Markup Language

(GSDML, [2]) repräsentierten Gerätebeschreibungen

und der zugehörigen, in IEC 61131 implementierten,

anwendungsspezifischen Logik aussehen kann. Die zugehörigen

Gerätebeschreibungen können dabei direkt

den vorgeschlagenen Profilen folgen. Andernfalls ist

eine explizite Mapping-Schicht erforderlich, mittels welcher

die IEC 61131-Profilvariablen direkt Variablen des

Geräts zugeordnet werden können.

Moderne Geräte stellen neben den zur Steuerung und

Überwachung benötigten Signalen eine Vielzahl an diagnose-

und wartungsbezogener Information zur Verfügung,

welche den Empfängern in möglichst selbsterklärender,

aber nicht überbordender Form zur Verfügung

stehen soll. Hierbei lassen sich ähnliche Vereinheitli-

atp edition

9 / 2013

35

HAUPTBEITRAG

chungen treffen, wie für die IEC 61131-Variablen, wobei

es Informationsempfänger mit stark divergentem Informationsbedarf

gibt.

Ziel der vorgestellten Vereinheitlichung ist es, dass

unabhängig von den tatsächlich verwendeten Motorstartern

und deren jeweiligen Herstellern

IEC 61131-Motorsteuerungen erstellt werden können,

Anlagenfahrer innerhalb einer Branche dieselbe

Visualisierung und Datenstruktur verwenden,

Alarme, Fehler und Warnmeldungen stets in derselben

Weise und mit denselben Beschreibungen angezeigt

werden,

Dem Anlagenfahrer nur so viel Information angezeigt

wird, wie er benötigt. Für seine Arbeit ist es

zum Beispiel weder erforderlich, zu wissen, welcher

Motortyp sich hinter einem Motorensymbol verbirgt,

noch welche Einzelvorgänge sich in einem Gruppenalarm

verbergen.

1. BESTEHENDE PROFILE UND STANDARDS

Selbstverständlich gibt es heute schon eine Vielzahl von

standardisierten Profilen, wie in [6, 7, 8, 9] behandelt.

Diese beschreiben – in meist sehr hohem Detailgrad – die

technische Umsetzung für Teillösungen, wie beispielsweise

die Kommunikation zwischen Gerät und Feldbusmaster/IO-Controller.

Sie beschreiben jedoch im Allgemeinen

nicht, wie sich verschiedene Standards miteinander

zu einem Gesamtsystem integrieren lassen. Zwei

Gesamtlösungen, welche jeweils mehrere Standards

umsetzen, werden die Integration der einzelnen Standards

untereinander verschieden lösen, das heißt auf

nicht austauschbare Art und Weise. Des Weiteren sind

Profilstandards und konkrete Lösungen zu einem gewissen

Grad abhängig von den Protokolldiensten des verwendeten

Feldbusstandards, zum Beispiel jene zur Übertragung

von Alarmen.

Eine spezielle Herausforderung stellt hierbei Information

dar, welche nur in Profilstandards oder Herstellerhandbüchern,

nicht aber maschinenlesbar in Gerätebeschreibungen

(Profinet GSD, Gerätestammdatei) enthalten

ist. Dies stellt jedoch kein wesentliches Problem dar,

da der Vorteil der Profile unter anderem darin liegt, dass

die Struktur der IO-Daten genau definiert ist und prinzipiell

eine feste Kodierung an die Stelle einer flexiblen

GSD-Gerätebeschreibung treten kann. Gleichzeitig bedeutet

dies aber, dass eine namens- beziehungsweise

kennzeichnerbasierte IO-Belegung nicht möglich ist.

In die Reihe bestehender Profile fallen unter anderem

die IEC 62390 [10], die festlegt, wie Geräteprofile für

industrielle Feldgeräte zu entwickeln sind, sowie die

TC2 der PLCopen [11], die ein XML-Format definiert, in

dem Funktionsblöcke für Positionssteuerungen angelegt

werden können. In der Antriebstechnik steht mit der

IEC 61800-7 [12] des Weiteren ein Nachschlagewerk

funktionaler Zusammenhänge von Antrieben zur Verfügung,

das definiert, wie grundlegende Begriffe in unterschiedlichen

Standards (zum Beispiel CiA 402 Drive

and Motion Control, CIP Motion, Profidrive Sercos) zu

verwenden sind.

In der derzeit im Abstimmungsprozess befindlichen

Diagnoseguideline für Profinet IO [13] wird je ein Datenmodell

für Profinet IO [14] Geräte und Alarm-Service-Element-Diagnosen

(ASE diagnosis) eingeführt,

sowie Empfehlungen zu deren Nutzung gegeben. Des

Weiteren wird ein Benachrichtigungskonzept vorgeschlagen,

welches ein hierarchisches Diagnosemodell

enthält und definiert, ob ein alarmgebendes Gerät sofort

Bedienung

IEC 61131

Applikation

!

Status

Steuerbefehle

Funktionsbaustein

Steuerbefehle

Status

Feedback

Bedienung(

Messwerte

Gerät /

Equipment

Management

(z.B. DTM),

FDI Device

Package

branchenspezifisch

Funktionsbaustein

projektspezifisch

Alarmverarbeitung

800xA

Operation

n

x

IEC 61131

Applikationsengineering

k

x

Faceplate

branchenspezifisch (n)

Bediener-IO

Motorsteuerung

gerätespezifische IO

BILD 2:

Komplexität der

Bereitstellung

und Nutzung

(Engineering)

von IEC 61131-

Motorsteuerungs-

Funktionsblöcken

Prozess

(weitere Geräte,

z.B. Sensoren)

gerätespezifische

Steuerung

Betriebsmittel

(z.B. Motor)

Motorsteuerung

(z.B. Motorstarter,

Breaker,…)

Konfiguration

BILD 1:

Schema der

Integration

elektrischer

Geräte in ein

Prozessleitsystem

Feldbusebene

Feld

m

geräte spezifisch (m)

GSDML

D

M

36

atp edition

9 / 2013

epariert werden muss. Wesentliches Element ist außerdem

die Signalweitergabe in Controller-to-Controller-

Netzen (C2C).

2. VEREINHEITLICHTE MOTORSTEUERANWENDUNGEN

Motorantriebssteuerungen werden primär gemäß des

Arbeitsverhaltens der anzusteuernden Aktorik unterschieden

(vergleiche Bild 3). Auf der einen Seite stehen

dabei die Stellantriebe, zum Beispiel Ventile, und auf der

anderen auf Dauerbetrieb ausgelegte Motoren, wie Pumpen,

Kompressoren oder Lüfter. Der Unterschied liegt

weniger im zugehörigen Variablensatz, als vielmehr in

der Funktion: Ein Pumpenmotor, der den Befehl an erhält,

schaltet an und läuft dann, bis er ausgeschaltet

wird. Der Motor eines Stellantriebs läuft nur solange, bis

die gewünschte Position erreicht ist.

Die nächste in Bild 3 dargestellte Erweiterungsebene

repräsentiert die Unterscheidung in Schaltstufen und

Regelgetriebe. Zu den Motorsteuerungen mit Schaltstufen

gehören alle motorbetriebenen Ventile, einfache

An-Aus-Typen sowie solche, die mehrere festgelegte

Geschwindigkeiten (Aus/Langsam/Schnell) oder unterschiedliche

Drehrichtungen (Vorwärts/Stopp/Rückwärts)

unterstützen. Bei den Regelgetrieben gibt es die

Geschwindigkeitsregelung, bei der die Motordrehzahl

in der Regel in Prozent der Maximaldrehzahl angegeben

wird, sowie die Momentenregelung. Eine Bidirektionalitätsklasse

für Motorsteuerungen mit Regelgetrieben

ist nicht praxisrelevant und daher bewusst nicht vorgesehen.

Dies liegt daran, dass an die Drehrichtung

Sicherheitsaspekte gekoppelt werden können, die zum

Beispiel vor einem Umschalten eine bestimmte Mindeststandzeit

fordern.

3. HIERARCHIE DER STRUKTURIERTEN

IEC 61131-VARIABLEN

Auf der obersten in Bild 3 dargestellten Klassenebene

(Antrieb) existieren naturgemäß nur die grundlegenden

Befehle. Hierzu gehören der Fehlerreset als Ausgangsvariable

und als Eingangsvariablen Feedbacksignale zur

Betriebsbereitschaft sowie zum Betriebszustand und

zum Fehler- und Warnungsstatus. Ausgangsvariablen

sind dabei vom Funktionsbaustein zur Motorsteuerung

gerichtet, während Eingangsvariablen von der Motorsteuerung

zum Funktionsbaustein übermittelt werden.

Die zweite Ebene in Bild 3 (Dauerbetrieb/Stellantrieb)

erweitert die Ausgangsseite um das Startkommando

(start beziehungsweise öffnen). Die Eingangsseite von

Motoren wird erweitert, um allgemeine Rückmeldungen

des physikalischen Motorenstatus, wie Stromfluss, Overload

oder Stillstand. Dabei handelt es sich um Variablen

des Dauerbetriebs, welche für Stellantriebe offensichtlich

keinen wirklichen Nutzen haben. Stellantriebe hingegen

benötigen Variablen, welche den tatsächlich eingestellten

Zustand widerspiegeln, also beispielsweise

Ventil geschlossen oder zu n % geöffnet. Somit erklärt

sich die zuvor erwähnte Zweiteilung.

In ähnlicher Weise werden in der Klasse der Regelgetriebe

Rückmeldesignale zum tatsächlichen Wert der

Regelgröße benötigt. Darüber hinaus weisen derartige

Funktionsblöcke zur Motoransteuerung Eingangsvariablen

für Überlast und Umschaltbarkeit auf, ebenso wie

Ausgangsvariablen für schnelles Stoppen oder spezielle

An- und Abfahrprofile.

Der entscheidende Unterschied zwischen Regelgetrieben

und Schaltstufen liegt in der Ansteuerung. Schaltstufen

werden über einen Satz binärer Variablen angesteuert.

Jede Variable repräsentiert eine bestimmte Geschwindig-

Antriebe

Stellantriebe

(z.B. Ventil)

Dauerbetrieb

(z.B. Pumpe)

Schaltstufen

Schaltstufen

Regelgetriebe

Auf-Zu

Ventil

Motorisiertes

Regelventil

An-Aus Aus-An1-An2 Bidirektional

Variable

Geschwindigkeit

Variables

Drehmoment

Binär

Analog

Binär Binär Binär

Analog

Analog

BILD 3: Klassendiagramm der Antriebssteuerungen – ohne Spezialfälle

atp edition

9 / 2013

37

HAUPTBEITRAG

BILD 4: Implementierungsvarianten

Standard

HMI IO

Standard

HMI IO

Standard

HMI IO

bereichs spezifisch

Funktionsbaustein

auf Profil Mapper

bereichs spezifisch

Funktionsbaustein

auf Profil Mapper

profilbasiert

profilbasiert

profilbasiert

Gerätesteuerung

auf Profil Mapper

Gerätesteuerung

auf Profil Mapper

geräte spezifisch

GSDML

GSDML

geräte spezifisch

GSDML

Zyklisches

Abbild

(Status Word)

Mapping in

SCP

Standard

HMI

Nicht abbildbare

Daten

Bestehender

Motor-Funktionsbaustein

&

&

&

&

Mapping out

Wrapper

Zyklisches Abbild

(Command Word)

Bestehende

HMI

Nicht abbildbare

Daten

BILD 5: Softwarearchitektur

der Beispielimplementierung

keitsstufe und muss – da zu einem Zeitpunkt nur eine

Geschwindigkeitsstufe eingestellt sein kann – sowohl als

Befehl als auch als Rückmeldung jeweils exklusiv gesetzt

sein. Im Fall der Regelgetriebe wird hingegen eine kontinuierliche

Ansteuergröße verwendet, welche von weiteren

für die Regelung des Motors notwendigen kontinuierlichen

Variablen flankiert wird (wie Setpoint, Anfahrverhalten,

Geschwindigkeit). Die Klasse der Bidirektionalität

enthält lediglich eine boolesche Variable, welche die

Drehrichtung spezifiziert, zum Beispiel forward.

4. BEREITSTELLUNG VON

FUNKTIONSBAUSTEINBIBLIOTHEKEN

Eine effiziente Implementierung der in Bild 3 aufgezeigten

Profilhierarchie ist durch Vererbung zu realisieren. Obwohl

IEC 61131 die Objektorientierung längst spezifiziert

hat, wird dies von den PLS in der Regel nicht unterstützt.

Daher ist eine Lösung erforderlich, welche zwar der Vererbungshierarchie

folgt, selbst aber nicht objektorientiert

ist. Die technisch naheliegende Lösung besteht darin, dass

die Hersteller der elektrischen Geräte einheitlich strukturierte

E/A-Daten verwenden und dieselben Variablensignaturen

in GSD wie IEC 61131-Funktionsbausteinbibliotheken

einsetzen. Während bestehende Profile also lediglich

die Gleichheit der Telegramme auf dem Bus garantieren,

wird von den Autoren gefordert, dass auch die Variablennamen

zum einfachen automatischen beziehungsweise

automatisierbaren E/A-Mapping passen müssen.

Die zugehörige Umsetzung erfordert allerdings eine

vollständige Umstellung aller Produkte einschließlich

Migrationsstrategie. Als praxisrelevante Lösung findet

sich das Hinzufügen einer Zwischenschicht durch einen

Mapping-Block. Um diese Zwischenschicht im Engineering

effizient nutzen zu können, wird eine Kapselung

(Wrapping) der nunmehr zwei Blöcke vorgeschlagen,

sodass ein IEC 61131-Programmierer nach wie vor

nur mit einem Funktionsbaustein pro Motorsteuerung

hantieren muss. Wenn dieses Wrapping eingesetzt wird,

38

atp edition

9 / 2013

verringert sich im Vergleich zu Bild 2 nicht die Anzahl

der Funktionsblöcke, es verringert sich jedoch der Softwareentwicklungs-

und -wartungsaufwand.

Das Ziel dabei ist es, sukzessive die Variablen von Bibliotheken

und Geräten an die generalisierte Version

heranzuführen. Dieses Vorgehen ermöglicht es, weiter

die Integration und Erweiterung bestehender Systeme zu

unterstützen und dedizierte, vom Standard abweichende,

zusätzliche Variablen bereitstellen zu können.

In einer ersten Implementierungsvariante (vergleiche

linkes Schema in Bild 4) fungiert der Wrapper als ein

transparenter Umsetzer der Variablen, ohne dass diese

für die Kommunikation zwischen Funktionsbaustein

und Gerät notwendig wäre. Der Vorteil ist, dass der

Steuerblock von außen betrachtet mit den Profilvariablen

arbeitet, das heißt andere Bausteine direkt auf diese

zugreifen können. Hierdurch ist der Einsatz jener standardisierten

Benutzeroberflächen (vergleiche Abschnitt

2.3) möglich, welche mit profilbasierten Variablen arbeiten.

Beim Funktionsbaustein und Motorcontroller

handelt es sich in diesem Fall um die bisherigen Bausteine

oder Geräte, welche ihre spezifischen Ein- und

Ausgangssignale (wie FB1 oder StatAct1) verwenden.

Die zweite Implementierungsvariante (siehe Bild 4,

mittleres Schema) lässt sich verwirklichen, wenn die

Motorsteuerung Variablen verarbeitet und liefert, die

mit einem definierten Profil kompatibel sind. Dann entfällt

die Umsetzung zwischen Gerät und Profilschicht.

Die Signalumsetzung zwischen bestehendem Funktionsblock

und profilbasierter Umgebung ist dabei weiterhin

erforderlich.

Ein ähnliches Ergebnis wird mit der dritten Implementierungsvariante

(vergleiche Bild 4, rechtes Schema) erreicht.

Bei dieser wird ein profilkompatibler Funktionsbaustein

verwendet, während die Motorsteuerung weiter

in ihrer klassischen Konfiguration arbeitet. Dabei entfällt

dann entsprechend die Umsetzung von profilbasiert auf

funktionsblockspezifisch, während die Umsetzung von

gerätespezifisch auf profilbasiert nach wie vor erforderlich

ist. Diese Variante ist insbesondere deswegen interessant,

weil sie es ermöglicht, die Geräte anderer Hersteller

einfach einzubinden.

5. NUTZUNG IM ENGINEERING

Müssen heute erst Hersteller und Typ des elektrischen

Geräts im Detail feststehen, können künftig die Arbeiten

an HMI und Steuerungsapplikation bereits früher beziehungsweise

auf Basis einer geräteunabhängigeren Applikationsschicht

beginnen. Dies verringert den Engineeringaufwand

und vereinfacht den Einsatz von Gerätesimulationstechniken

[3], etwa zur virtuellen Inbetriebnahme

elektrischer Geräte auf FAT-tauglichem Niveau.

Die vorgestellte Generalisierung könnte ein erster

praktischer Schritt in Richtung modellgestütztes Engineering

werden, da dessen größter Bremsklotz bisher in

der Individualität der Anbieter und Kundensegmente

liegt. Der Ablauf würde dann auf einer steten Verfeinerung

basieren, welche zunächst auf sehr abstraktem Level

die Grundfunktionen definiert und anschließend die

angelegten Teilkomponenten sukzessive und rekursiv

mit Eigenschaften und Detailverhalten befüllt.

Auf der Basis generalisierter Variablensätze wird es außerdem

möglich, in ähnlicher Weise generalisierte Faceplates

(Benutzeroberflächen) zu definieren. Dabei spielt es

keine Rolle mehr, für welches Gerät diese Benutzeroberfläche

tatsächlich zum Einsatz kommen wird, solange die

Startertypen von Faceplate und Motorsteuerung zusammen

passen. Somit kann das Engineering der Bedienergrafik

erfolgen, ohne den tatsächlichen Motorstarter bereits zu

kennen. Sobald der konkrete Startertyp bekannt ist, läßt

sich das Faceplate an die endgültige Situation anpassen.

Dynamisch ein- und ausgeblendete Dialoge und Anzeigen

machen dies möglich, setzen aber voraus, dass die Motorsteuerungen

sich eindeutig identifizieren. Ein vielversprechender

Ansatz in dieser Richtung ist in [4] dargestellt.

Die Standardisierung ermöglicht es auch, dass Tools

für den Funktionstest von Prozessleitsystemen (zum Beispiel

[5]) deutlich einfacher konfiguriert werden können

und ergibt in Kombination mit automatisierten Testabläufen

eine effiziente Herangehensweise, um die zum

Testen notwendigen Zeiten deutlich zu reduzieren und

gleichzeitig eine höhere Testabdeckung zu erreichen.

6. BEISPIELIMPLEMENTIERUNG

Ziel der in Bild 5 schematisch dargestellten Beispielimplementierung

ist es, eine Lösung zu schaffen, die sämtliche

Funktionen der bestehenden Funktionsbausteine

und Motorsteuerungen beibehält, und dennoch die neuen

profilbasierten Variablen und Kommunikationsparadigmen

umsetzt. Dabei wurde auf der Geräteseite der

Universal Motor Controller (UMC) der ABB Stotz AG und

der zugehörige Funktionsblock aus der ABB System

800xA Standard Library verwendet.

Oben links in Bild 5 werden die im zyklischen Abbild

(Status Word) des UMC vorhandenen Daten ins System

eingespeist und im Mapping in auf Profilkonformität

gebracht. Von dort aus werden sie an die mit SCP-gekennzeichnete

Datenschnittstelle weitergegeben, auf die

in der aktuellen Implementierung die neue Standard-

Bedienoberfläche zugreift. SCP steht dabei für Standard

Connectivity Profile und repräsentiert die von den Autoren

entwickelte ABB-interne Umsetzung des generalisierten

Variablenprofils. Parallel dazu werden die profilkonformen

Daten vom Mapping in zum Motorfunktionsbaustein

(MFB) weitergeleitet und mit jenen Eingängen

des MFBs verbunden, welche eine Entsprechung im

Profil haben. Der in Bild 5 quer über den Eingangspfeilen

verlaufende Balken signalisiert dabei, dass dies keine

1:1-Verbindung ist, sondern eine geeignete Zuordnung

auf Array-Variablen oder eine Umkodierung im Bitmuster

vorgenommen werden musste. Selbiges gilt für die

Ausgangsvariablen des bestehenden MFBs, welche vom

Mapping out wiederum in die vom UMC erwartete Form

(Command Word) gebracht werden. Diese Ausgangsdaten

werden auch an die SCP-Schnittstelle übermittelt, um

dort das komplette Variablenprofil vorliegen zu haben.

Eingangsdaten, die in ihrer heutigen Form nicht ins

Schema passen oder aber nicht im zyklischen Abbild

atp edition

9 / 2013

39

HAUPTBEITRAG

abgelegt sind, werden dem bestehenden Motorfunktionsbaustein

direkt zugeführt. Selbiges gilt in analoger Weise

für die Ausgangsseite (Nicht abbildbare Daten).

Der Testaufbau wurde primär genutzt, um die neuen

Möglichkeiten dynamischer Faceplates und der in Abschnitt

3 erörterten auf Klassifizierung und Gruppierung

beruhenden Alarmmechanismen zu demonstrieren. Insofern

wurde die für eine vollständige Umsetzung notwendige

Bidirektionaltiät der SCP-Schnittstelle nicht

implementiert, sondern die Bedienung auf Basis der bestehenden

HMI durchgeführt.

Die Experimente zeigten ferner, dass sich mit Hilfe der

neuen Architektur eine Motorsteuerung auch zu einem

späteren Zeitpunkt austauschen lässt, ohne dass der Code

der Funktionsbausteine oder des Faceplates umgeschrieben

werden muss. Ebenso ist es möglich, einen profilbasierten

Funktionsbaustein durch einen kundenspezifischen Baustein

zu ersetzen. Hierfür ist es lediglich erforderlich, die

Variablenzuordnung entsprechend anzupassen.

7. ALARME, DIAGNOSE UND MAINTENANCE

Neben der Profilbildung zur Motorsteuerung wird ebenfalls

die Profilbildung für die Diagnose elektrischer Geräte

betrachtet. Insgesamt wird dabei unterschieden, ob

sich ein Diagnosedatum auf Gerät, Equipment oder den

Prozess bezieht. Gerätediagnosen befassen sich mit Zuständen,

welche ursächlich im Gerät aufgetreten sind,

wie beispielsweise eine zu hohe Wicklungstemperatur

oder eine zu große Phasenverschiebung (cos φ). Equipmentdiagnosen

betrachten nachgeordnete, aber funktional

gekoppelte Geräte, wie zum Beispiel ein Leerlauf

bei einer von einem Motor angetriebenen Pumpe. Probleme

im physikalischen Umfeld des Prozesses, also beispielsweise

stockender Durchfluss, werden wiederum

getrennt ausgewertet. Die Herausforderung besteht darin,

diese Bereiche klar voneinander zu trennen und

Abhängigkeiten zu erkennen, vergleiche hierzu Bild 6.

Für das Eingreifen der Prozesssteuerung im Fehlerfall

genügt bereits wenig Diagnoseinformation im zyklischen

Prozessabbild. Um jedoch auch Anlagenfahrer und Wartungsexperten

entsprechend über Problemzustände zu

unterrichten, wird ein breites Spektrum an diagnostischer

Information als Alarme und Events (Ereignisse)

übertragen. Im Gegensatz zu Events sind Alarme vom

Nutzer zu bestätigen und bis zu dieser Bestätigung als

aktiv zu kennzeichnen. Die Ursachen für Alarme müssen

behoben werden, bevor ein Alarm aus der Alarmliste

entfernt werden kann. Während die Bedienern (Operator)

zur Verfügung gestellte Information die Aufgaben

Bedienung und Beobachtung mittels Faceplates

sowie

Alarmruf mittels Geräte- oder Equipmentevents

über die System-Event-Liste

abdeckt, müssen dem Wartungingenieur verschiedene

Alarmrufe zur Verfügung stehen:

Alarmruf mittels Geräte- oder Equipmentevents

über die System-Event-Liste,

BILD 6: Verschiedene

Alarmquellen: Prozess,

Equipment und Gerät

Device /

Gerät

Controller

Motorsteuerung

Feldkommunikation

Alarm-

Server

Prozessleitsystem

Faceplate Bedienoberfläche

Zyklische Daten Prozessalarme Diagnosealarme

Motor

Datenzugriff

( z.B. OPC)

Equipment

Pumpe

FI

Prozess

Controller

Controller IO

Alarmlogik

Motor-

Funktionsbaustein

Konfiguration

BILD 7: Zyklische (blaue Pfade) und azyklische (rote und

grüne) Datenpfade im System. Da in der GSD Prozessalarme

nicht explizit ausgewiesen werden können,

werden diese durch einen zusätzlichen Baustein erzeugt.

IO Gerätecontroller

Prozess

40

atp edition

9 / 2013

Alarmruf der Gerätezustandsüberwachung,

Alarmruf der auf Basis detaillierter Diagnosedaten

durchgeführten Rootcause-Analyse.

8. ALARMKLASSIFIZIERUNG

In diesem Beitrag liegt der Fokus auf den gerätebezogenen

Alarmen und Events und basiert hauptsächlich auf den von

Drivecom [6] vorgeschlagenen Alarmprofilen. Es wird die

Nutzung eines erweiterten Drivecom-Profils vorgeschlagen,

um alle kritischen Diagnosezustände abbilden zu können,

die ein Gerät liefert. Wie dort empfohlen, werden Alarme

zunächst nach ihrer physikalischen Herkunft klassifiziert,

also beispielsweise Strom-, Spannungs-, Temperatur- oder

Softwarefehler. Danach wird der Geräteteil benannt, in

dem der Fehler aufgetreten ist und anschließend dokumentiert,

welche Fehlfunktion sich eingestellt hat, wie Kurzschluss,

eine zu hohe Temperatur oder ein zu geringes

Drehmoment.

Darüber hinaus werden die azyklisch im Gerätemanagement

ausgelesenen Alarme zur Erzeugung des

NE 107 [15] Gesundheitsstatus des elektrischen Gerätes

mit verwendet, den der FDI-Standard [16] als Teil des

Geräteinformationsmodells vorsieht. Die Abbildung der

einzelnen Alarme – die jeweils einem Drivecom Fault

entsprechen – auf die Zustandsklassen der NE 107 wurde

anhand ausgewählter Beispiele demonstriert.

Wie Bild 7 zeigt, wird zwischen Diagnose- und Prozessalarmen

unterschieden. Bei Diagnosealarmen handelt es

sich primär um:

Kommunikationsprobleme inklusive dem Anschluss

beziehungsweise der Entfernung von Gerätemodulen,

Gerätediagnose, welche von dem erweiterten

Drivecom-Profil abgedeckt wird, sowie

Fehlermeldungen des Equipments.

Prozessalarme, gegebenenfalls mit Sequence-of-Events-

Profil, werden hingegen für Fehler verwendet, welche in

der – elektrisches Gerät und Equipment – einschließenden

Regelschleife auftreten.

Bild 7 zeigt außerdem die drei grundlegenden Informationspfade

vom Gerät zum Prozessleitsystem: Zyklische

Daten, azyklische Daten und Alarme. Die Aufgabe bei der

Weiterleitung der Alarme, welche als farbige Datenpfade

dargestellt werden, besteht darin, die oben erwähnten

Bezugspunkte der Alarme (Gerät, Equipment, Prozess) zu

dekodieren, die Alarminformation anzureichern und an

die relevanten Alarmempfänger weiterzuleiten.

Hinweis: Bei der Verwendung von Profinet IO findet

sich eine Abbildung von aktiven Channel-Alarmen auf

Parameterrecords. Hierdurch ist es möglich, den Alarmstatus

azyklisch auszulesen, womit sich Alarmlisten für

die Bediener standardmäßig mit Diagnoseinformation

des Gerätemanagements ausstatten lassen.

9. DATENPFADE

Die größte Herausforderung bei der Integration von aktuellen

Geräteparametern und Steuerungsdaten ergibt

sich aus der Frage, wie die jeweiligen Diagnosedaten vom

Servers/Clients

Prozessalarme

mit SoE

System-

Ereignisse

FDI-Diagnose-

Menü

FDI-Geräte-

Engineering

PLC-Engineering

(GSD)

Bediener-

Faceplate

Gruppenalarme

Controller

Prozessalarmweiterleitung

Channelalarmdekodierung

Parameter

Record Tunnel

Open-Loop Control

Profinet IO

Prozessalarme

Channel-

Alarme

Alarm ASE

Parameter

Record ASE

IO Data ASE

Gerät

Fehler der

Steuerung

Geräte- und

Equipmentzustand

Diagnose-Information

Geräteparameter

Status/Feedback/Trips

Befehle und

Set-Points

Elektrische Steuerfunktionen

BILD 8: Verteilung von Diagnoseinformationen (wie Fehler, Warnungen, Status) über Profinet IO.

atp edition

9 / 2013

41

HAUPTBEITRAG

AUTOREN

Dr.-Ing. JÜRGEN GREIFEN EDER

(geb. 1975) ist seit 2008 Wissenschaftler

am ABB Forschungszentrum.

Er studierte Technische

Kybernetik in Stuttgart

und promovierte über formale

Antwortzeitanalyse netzbasierter

Automatisierungssysteme in

Kaiserslautern. Seine wissenschaftlichen

Schwerpunkte beziehen sich auf

Systemmodellierung und effizientes Engineering.

ABB AG Forschungszentrum,

Wallstadter Str. 59, D-68526 Ladenburg,

Tel. +49 (0) 6203 71 62 22,

E-Mail: juergen.greifeneder@de.abb.com

Dr. rer. nat. DIRK SCHULZ

(geb. 1976) ist seit 2006

Wissenschaftler am ABB

Forschungszentrum. Nach

einem Studium der Technischen

Information an der

Universität Mannheim,

promovierte er über Schutzverfahren

für Taktverteilung

in synchronen EVU-Weiterverkehrsnetzen.

Aktuell ist er ist als Principal Scientist im

Bereich Geräte- und Feldbusintegration tätig.



Tel. +49 (0) 6203 71 62 74,

E-Mail: dirk.schulz@de.abb.com

Gerät zum jeweils interessierten Empfänger zu übertragen

sind (vergleiche Bild 8).

Unter Diagnosedaten wird dabei jene Information verstanden,

welche potenziell kritische Zustände des Prozesses,

Geräts oder Equipments beschreibt. Als Beispiel

seien die Spannungsniveaus L1,L2,L3 genannt. Diese

könnten Teil des zyklischen Abbildes sein und innerhalb

der IEC 61131-Applikation Verwendung finden. Sie lassen

sich aber auch azyklisch auslesen und in einem gerätespezifischen

FDI-Diagnosemenü [4] darstellen. In diesem

Fall löst ein Überstrom einen Channel-Alarm aus, der in

der System-Event-Liste angezeigt wird. Würde wegen dieses

Überstroms die zugehörige Regelung ausfallen oder

neustarten, wird ein mit Zeitstempel versehener Prozessalarm

den Bediener aufmerksam machen (durch Anzeige

des entsprechenden Eintrags in der Prozess alarmliste).

Dies bedeutet, dass die verschiedenen Datenpfade und

Empfänger ihre Information alle aufgrund desselben

physikalischen Ereignisses beziehungsweise des sich

daraus ergebenenden Messwertes beziehen. Wichtig ist

dabei insbesondere, dass Diagnosedaten in der Regel

nicht einen Sender und einen Empfänger haben, sondern

so ziemlich jeder Teilnehmer eines DCS immer sowohl

Empfänger als auch Weiterleiter von Diagnosedaten ist.

Die in diesem Architekturüberblick verwendeten Blöcke

stehen dabei stellvertretend für ein stereotypisches

DCS (distributed control system). Die Geräte und Server/Client-Seite

ist vollständig unabhängig von der zugrunde

liegenden Technologie. Auf der Geräteseite wäre

das Bild bei Verwendung von Profibus DP komplexer

wegen paralleler Nutzung der DPV0- und DPV1-Dienste.

Ein wichtiger Teilaspekt des vorgestellten Ansatzes ist es,

die Belastung des Bedieners durch die Einführung von

REFERENZEN

B.Sc PABLO RODRIGUEZ


Wissenschaftler am ABB

Forschungszentrum. Er

studierte Telecommunications

Engineering (Electronic

Systems) an der Escuela

Politécnica de Alcalá de

Henares Madrid. Nach seinem

Studium befasste er sich mit dem Engineering von

konventionellen und Solarkraftwerken, Schwerpunkte

System-Design, Steuerungs- und Regelungstechnik,

Prozesssimulation, Turbine/

Boiler-Kontrolle. Derzeit ist er als Scientist

im Bereich Engineering-Effizienz tätig.



Tel. +49 (0) 6203 71 60 22,

E-Mail: pablo.rodriguez@de.abb.com

[1] IEC 61131-3: Programmable controllers - Part 3:

Programming languages, 2013.

[2] PNO: GSDML (GSD Markup Language). Technische

Spezifikation von PROFINET IO version 2.3, PNO Order No.:

2352, 2011

[3] Hoernicke, M., Greifeneder, J., Barth, M.: Effizientes

Testen heterogener Leitsystemkonfigurationen –

Integration gewerkeübergreifender Hardware-Emulatoren.

atp edition – Automatisierungstechnische Praxis 54(11),

S. 46-55, 2012

[4] Schulz, D, Greifeneder, J.: Eine Standardlösung für die

Integration elektrischer Geräte mit PROFINET IO

und FDI. In: Tagungsband Automation 2013, S. 377-380.

VDI-Verlag 2013

[5] Greifeneder, J., Weber, P., Barth, M., Fay, A.: Generierung

von Simulationsmodellen auf Basis von PLS-Engineering-

Systemen. atp edition – Automatisierungstechnische Praxis

54(4), S. 34-41, 2012

[6] DRIVECOM Nutzergruppe e.V.: DriveServer Spezifikation

V 1.1, http://www.drivecom.org

42

atp edition

9 / 2013

Gruppenalarmen (summary alarms) in Grenzen zu halten.

Hierdurch wird ermöglicht, dass Alarme mit gleicher

Quelle nur einmal weggeklickt werden müssen und

überall dieselbe Erläuterung aufweisen, unabhängig

davon über welchen Weg sie durch das System gelangt

sind. Für Fehler und Vorwarnungen wird lediglich jeweils

für Gerät, Equipment und Prozess ein gemeinsamer

Sammelalarm in die Alarmlisten des Systems geleitet.

Anstelle von knapp 100 theoretisch möglichen

Alarmen werden also maximal sechs sichtbar.

FAZIT

Der entwickelte Profilansatz erleichtert die Integration

der Funktions- und Diagnosedaten bestehender

elektrischer Geräte, reduziert den Engineeringaufwand

elektrischer Steueranwendungen und vereinfacht

die Anwendung modellgestützten Engineerings.

Einheitliche Bedienoberflächen und die Verwendung

von klassifizierten Gruppenalarmen ermöglichen es

dem Anlagenfahrer, einen aussagekräftigen, aber

schnell zu erfassenden Überblick über die Anlage zu

bekommen und dennoch jederzeit alle wichtigen Informationen

abrufen oder an den Wartungsingenieur

übergeben zu können. Die Verwendung einer geräteunabhängigen

Applikationsschicht vereinfacht

außerdem den Einsatz von Gerätesimulationstechniken

und erleichtert die Anwendung automatisierter

Testverfahren.

MANUSKRIPTEINGANG

17.05.2013


[7] PNO: PROFIdrive Technology and Application – System

Description. PNO Order No.: 4.322 und 4.321, 2011

[8] PNO: Low Voltage Switchgear (LVSG),

PNO Order No.: 3.122, 2012

[9] PNO: PROFINET IO Clock Synchronization – Common

Application Profile for Sequence of Events,

PNO Order No.: 7.102, 2013

[10] IEC 62390: Common automation device – Profile guideline,

2005

[11] PLCopen: Function Blocks for Motion Control, TC2-1,

version 2.0, 2011

[12] IEC 61800-7: Generic interface and use of profiles for

power drive systems, 2007

[13] PNO: Diagnosis for PROFINET IO, Guideline for

PROFINET, draft in PI review, version 0.9, 2013

[14] IEC 61784 and IEC 61158 [family of standards including

PROFINET IO]

[15] NE 107: Selbstüberwachung und Diagnose von

Feldgeräten, 2006

[16] IEC 62769: Field Device Integration (FDI), 2013

Engineering von

Prozessleitsystemen

– so geht‘s

Das praxisorientierte Lehrbuch befasst sich mit der Einrichtung

von Prozessleitsystemen. Anhand einer experimentellen

Forschungsanlage werden die Herausforderungen hinsichtlich

Anlagensicherheit und Anlagenverfügbarkeit dargestellt. Auch

auf Modularisierung und virtuelle Inbetriebnahme von Anlagen

geht der Autor ein.

Hrsg.: Leon Urbas

1. Auflage 2014

ca. 300 Seiten, schwarz/weiß mit Schmuckfarbe, Hardcover

ISBN: 978-3-8356-3362-9

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HAUPTBEITRAG

Bewertung industrieller

Funklösungen

Standardtests und Performance-Klassen

Basierend auf repräsentativen Messungen in realen Umgebungen behandelt dieser Beitrag

geeignete Standardtestfälle zur einheitlichen Zeit- und Fehlerbewertung industrieller

Funklösungen mit Bezug auf ausgewählte Klassen industrieller Automatisierungsanwendungen.

Nach Auswahl relevanter Kenngrößen werden Performance-Klassen A, B, C mit

einer zusätzlichen Angabe der absoluten und zeitabhängigen Verfügbarkeit vorgeschlagen.

Damit ist es Herstellern und Anwendern möglich, für eine bestimmte Anwendungsklasse

eine optimale Funklösung zu entwickeln beziehungsweise auszuwählen.

SCHLAGWÖRTER Industrielle Funksysteme / Standardtests / Performance-Klassen /

Funkkanäle / Kanalemulator

Assessment of industrial wireless systems –

Standard tests and performance classes

Standard tests are presented for the uniform time and error assessment of industrial

wireless systems based on measurements in real environments. These standard tests

take different classes of industrial applications into account. After choosing relevant

performance parameters we propose the performance classes A, B, and C with additional

information concerning the total and time-dependent availability. This enables

manufacturers and customers to develop or select optimum wireless solutions for specific

application areas.

KEYWORDS wireless automation / standard tests / performance classes / radio channels /

channel emulator

44

atp edition

9 / 2013

UWE MEIER, Institut Init, Lemgo

LUTZ RAUCHHAUPT, Institut Ifak, Magdeburg

Seit etwa 15 Jahren werden Funklösungen für

industrielle Automatisierungsanwendungen

zunehmend eingesetzt. In dieser Zeit wurden

wesentliche Anforderungen an die Funkkommunikation

definiert sowie Gesichtspunkte der

Nutzung von Funklösungen (zum Beispiel Koexistenzmanagement)

erarbeitet und in Richtlinienblättern veröffentlicht

(zum Beispiel VDI/VDE-Richtlinie 2185 [1]).

Eine wesentliche Herausforderung besteht allerdings

noch darin, ein optimales Zeitverhalten mit minimaler

Fehlerrate zu geforderten Zeitpunkten zu garantieren.

Im Gegensatz zur kabelgebundenen Kommunikation ist

bei Funk der Übertragungskanal zeitvariant, frequenzselektiv

und einer externen Beeinflussung ausgesetzt. In

industriellen Umgebungen sind Mehrwegeausbreitung

und Bewegungseffekte dominant, aber es sind ebenso

parasitäre Maschinenemissionen und der Einfluss anderer

Funksysteme zu beachten. Aus Mangel an Kenntnis

der detaillierten Systemeigenschaften werden heute einige

Funksysteme nicht genutzt oder sogar prinzipiell

abgelehnt. Damit werden die mit der Funkkommunikation

verbundenen wirtschaftlichen Möglichkeiten nicht

ausgeschöpft. Es besteht daher ein dringender Bedarf an

Testverfahren, mit denen sich unterschiedliche Funklösungen

unter Berücksichtigung relevanter Einflüsse applikationsspezifisch

bezüglich des Zeit- und Fehlerverhaltens

bewerten lassen.

Dieser Beitrag stellt die wesentlichen Ergebnisse des

Forschungsvorhabens „Entwicklung von Standardtests

zur einheitlichen Bewertung industrieller Funklösungen“

(FITS) [2] vor. Ziel war es, geeignete Standardtestfälle

zur einheitlichen Zeit- und Fehlerbewertung industrieller

Funklösungen mit Bezug auf ausgewählte Klassen

industrieller Automatisierungsanwendungen bereitzustellen.

Hierbei wurden folgende thematische

Schwerpunkte adressiert:

Verbesserung der Produktbewertung

durch validierte Methoden und Modelle

Unterstützung des Qualitätsmanagements

durch systematisches Vorgehen

Verbesserung der Transparenz

durch einheitliche Verfahren

Unterstützung der Realisierung

zuverlässiger Funklösungen

Vermeidung von Fehlinvestitionen

Im Rahmen der Arbeiten wurden zunächst Kenngrößen

und statistische Parameter zur Zeit- und Fehlerbewertung

sowie relevante Einflussgrößen spezifiziert. Basierend

darauf sind Anwendungsprofile und dazu passende

Testfälle definiert worden. Fußend auf repräsentativen

Messungen in realen Umgebungen wurden für diese

Standardtests geeignete Modellbeschreibungen und

Testverfahren entwickelt und mit Validierungs- und Erprobungsmessungen

verifiziert. Exemplarische Ergebnisse

werden in diesem Beitrag vorgestellt. Abschließend

werden Performance-Klassen A, B, C mit einer zusätzlichen

Angabe der absoluten und zeitabhängigen Verfügbarkeit

vorgeschlagen.

1. KONZEPT

1.1 Betrachtungsraum

Als Ausgangspunkt für die Beschreibung der Standardtests

mit Bezug zu industriellen Automatisierungsanwendungen

wird der Betrachtungsraum beschrieben.

Bild 1 zeigt die Abstraktion einer industriellen Automatisierungsanwendung

mit verteilten und gegebenenfalls

mobilen Anlagenbestandteilen.

Die verteilten Anlagenbestandteile sind mit Funkgeräten

ausgerüstet, die ein Netzwerk bilden und somit

eine drahtlose Kommunikation über ein Funkmedium

ermöglichen. Konkrete Aussagen über die Art der Funkgeräte

beziehungsweise über das Funknetzwerk, das sie

bilden, werden nicht getroffen. Es wird lediglich festgestellt,

dass eine Schnittstelle zwischen den verteilten

Automatisierungskomponenten und den Funkgeräten

existiert und dass ein Funknetzwerk neben den Funkgeräten

auch Infrastrukturkomponenten beinhalten

atp edition

9 / 2013

45

HAUPTBEITRAG

kann. Das Zeit- und Fehlerverhalten einer konkreten

Funklösung (Funkgerät oder Funknetzwerk) wird durch

Kenngrößen charakterisiert, deren Werte sich auf die

Schnittstelle zwischen Funkgerät und Anwendungskomponente

beziehen. Diese Festlegung ist nötig, um

eine anwendungsorientierte Bewertung der Funklösung

zu ermöglichen.

Das Konzept der Standardtests sieht vor, die industrielle

Automatisierungsanwendung durch ein definiertes

Verhalten und mit Hilfe standardisierter Einflussgrößen

und Einflussgrößenwerte abzubilden (siehe Bild 2). Das

geschieht durch eine Testanwendung, die standardisierte

Testfälle abarbeitet. Dazu werden in für den Testfall

definierten Intervallen Kommunikationsanforderungen

an der Anwendungsschnittstelle ausgelöst. Anschließend

werden die Ereignisse an den Anwendungsschnittstellen

genutzt, um die Kenngrößen zu ermitteln, die das

Zeit- und Fehlerverhalten des zu testenden Systems charakterisieren.

Die Eigenschaften des Übertragungskanals

werden ebenfalls mit standardisierten Größen und Wertebereichen

entsprechend den Standardtestfällen abgebildet.

Das geschieht mit Hilfe eines Kanalemulators.

Das zu testende System (system under test, SUT) beinhaltet

die zu testenden Funkgeräte (devices under

test, DUT) und gegebenenfalls weitere Infrastrukturkomponenten.

Es bedient die definierten Kommunikationsanforderungen

eines Testfalls und nutzt zur Übertragung

den für diesen Testfall spezifizierten Übertragungskanal.

Entsprechend dieses Ansatzes werden

Parameter definiert, um die Anforderungen an die

Funkkommunikation sowie die Bedingungen dafür

quantitativ beschreiben zu können. Damit lassen sich

Funklösungen einheitlich und unter reproduzierbaren

Bedingungen untersuchen.

1.2 Anforderungen und Einflussgrößen

Anwendungsbezogene Einflussgrößen auf die Funkkommunikation

werden verwendet, um die Kommunikationsanforderungen

einer Automatisierungsanwendung

zu formulieren. Des Weiteren bestimmen diese Einflussgrößen

gewisse Bedingungen, unter denen das Kommunikationsnetzwerk

die Anforderungen erfüllen soll.

Hierzu gehören:

Kommunikationsnetzwerk (Anzahl der Kommunikationsgeräte,

Anzahl logischer Verbindungen,

räumliche Ausdehnung, Security-Funktionalität)

Logische Kommunikationsverbindung (Endpunkte,

Abstand zwischen Kommunikationsgeräten,

Safety-Funktionalität)

Kommunikationsgerät (Position, Bewegung)

Kommunikationslast (Nutzdatenlänge, zyklisch

oder ereignisgesteuert, Sendezeitabstand)

Umgebungsbezogene Einflussgrößen beschreiben die

Bedingungen der Anwendungsumgebung. Dazu gehören

die Charakteristik des Einsatzbereiches, die natürlichen

Umgebungsbedingungen sowie der Einfluss von Frequenznutzern.

Dabei wird unterschieden zwischen Frequenznutzern

zur Funkkommunikation und anderen

Nutzungen elektromagnetischer Wellen, zum Beispiel

zur Trocknung von Werkstoffen oder zum Erhitzen.

Gerätespezifische Einflussgrößen der Funkgeräte und

Funknetzwerke beeinflussen deren Zeit- und Fehlerverhalten.

Beispielhaft seien genannt:

Funksystem (Funktechnologie, Topologie, Modulation,

Medienzugriffsverfahren, Datensicherungsverfahren,

...)

Frequenzband (Mittenfrequenz, Bandbreite)

Funkgerät (Sendeleistung, Empfängerempfindlichkeit,

Antennenanzahl, ...)

Antennen (Richtdiagramm, Gewinn, Polarisation, ...)

In erster Linie müssen die Funkgeräte und Funknetzwerke

den Anforderungen und Bedingungen der automatisierungstechnischen

Anwendung entsprechen.

Das trifft beispielsweise auf den Abstand der Funkgeräte

zu, auf die Umgebungsbedingungen oder auf die

Bewegungseigenschaften bei mobilen oder beweglichen

Anlagenteilen. Bezüglich der Funktechnologie,

des Funkstandards beziehungsweise der konkreten

Funkgeräte bestehen oft mehrere Optionen. Mit der

Entscheidung diesbezüglich werden die möglichen

Topologien festgelegt.

2. ANWENDUNGSPROFILE UND STANDARDTESTFÄLLE

Ein Anwendungsprofil beschreibt die Anforderungen einer

Applikation an die Kommunikation. Da industrielle

Anwendungen sehr unterschiedlich sind, haben unterschiedliche

drahtlose Lösungen ihre Daseinsberechtigung.

Aus diesem Grund müssen Standardtestfälle die Anforderungen

der industriellen Anwendungen berücksichtigen.

Die erste allgemeine Analyse von Anforderungen an

die industrielle Funkkommunikation wurde in der

VDI/VDE-Richtlinie 2185 [1] veröffentlicht. In dieser

Richtlinie werden Automatisierungsfelder wie Fabrikund

Prozessautomation berücksichtigt. Die ISA 100

definiert fünf Anwendungsklassen [3], die im Grunde

für alle in der VDI/VDE-Richtlinie aufgelisteten Automationsbranchen

relevant sind. Allerdings existiert

neben der Beschreibung, was Sicherheit, Regelung oder

Monitoring bedeutet, keine quantitative Definition. Deshalb

sind keine Testfälle von diesen Definitionen ableitbar.

Die Namur-Empfehlung 124 [4] definiert drei Anwendungsklassen

für die Prozessautomation, aber wiederum

ohne quantitative Angaben. Des Weiteren wurden

in der Profibus-Nutzerorganisation Anforderungen

speziell für die Fertigungsautomation zur Spezifikation

eines Wireless-Sensor-Aktornetzwerkes (WSAN) zusammengetragen

[5].

Im Projekt FITS wurde ein Ansatz entwickelt, welcher

die genannten Dokumente berücksichtigt sowie die Erfahrungen

aus der aktiven Mitarbeit in entsprechenden

Gremien und Normungsorganisationen. Tabelle 1 zeigt

die ausgewählten fünf Anwendungsprofile und spezifi-

46

atp edition

9 / 2013

BILD 1: Abstraktion des Betrachtungsraums

BILD 2: Konzept für Standardtests von

Funklösungen für die industrielle Automation

Einflussgröße

(anwendungsbezogen)

Maschine

Fabrikhalle

Prozessanlage

(Indoor)

Prozessanlage

(Outdoor)

Anzahl an Kommunikationsgeräten 16 50 100 100 2

Räumliche Ausdehnung des

Kommunikationssystems (L x B x H)

Abstand zwischen den

Kommunikationsgeräten

5 m x 5 m

x 5 m

100 m x 25 m

x 10 m

100 m x 25 m

x 15 m

500 m x 500 m

x 15 m

Spezielle

Applikation

(Fahrstuhl)

3 m x 3 m

x 25 m

10 m 100 m 100 m 700 m 25 m

Bewegung der Kommunikationsgeräte 0 m/s, 5 m/s 1,5 m/s 0 0 2,5 m/s

Nutzdatenlänge 2 Oktett 64 Oktett 20 Oktett 20 Oktett 2 Oktett

Initiierung der Datenübertragung periodisch periodisch periodisch periodisch periodisch

Sendezeitabstand 100 ms 250 ms 4 s 4 s 50 ms

Sichtkontakt NLOS NLOS NLOS, OLOS NLOS, OLOS OLOS

Andere Funkkommunikationssysteme WLAN WLAN WLAN WLAN WLAN

Medienbelegung

(benachbarter Kanal)

1518 Oktett /

1,8 ms

1518 Oktett /

1,8 ms

1518 Oktett /

1,8 ms

1518 Oktett /

1,8 ms

1518 Oktett /

1,8 ms

Einsatzbereich Indoor Indoor Indoor Outdoor Indoor

TABELLE 1: Anwendungsprofile (non-/obstructed line of sight, NLOS/OLOS)

ziert deren relevante Einflussgrößenwerte beziehungsweise

Bedingungen. Bei den Werten handelt es sich um

zweckmäßige Festlegungen, die aus den Diskussionen

in Arbeitskreisen der GMA, PNO, ZVEI sowie im projektbegleitenden

Arbeitskreis abgeleitet wurden.

Ausgehend von den Festlegungen der Anwendungsprofile

wurden vier Testreihen mit je zwei bis fünf Standardtestfällen

abgeleitet. Welchen Testfällen eine Funklösung

unterzogen werden soll, hängt von den ins Auge

gefassten Anwendungsprofilen ab. Den Anwender werden

in der Regel nur die Ergebnisse des für den Zielmarkt

relevanten Anwendungsprofils interessieren. Somit ist

nicht für jedes Produkt die Durchführung aller Testreihen

erforderlich.

3. KENNGRÖSSEN

Im Gegensatz zu Einflussgrößen, die Anforderungen

und Bedingungen für die zu testende Funklösung be-

atp edition

9 / 2013

47

HAUPTBEITRAG

schreiben, werden messtechnisch zu bestimmende

Kenngrößen verwendet, um die Performance der Funklösung

zu bewerten. Hierbei gilt es aus Gründen der

Effektivität, möglichst wenige generische Kenngrößen

auszuwählen. Dabei ist darauf zu achten, dass die ausgewählten

Kenngrößen das System bezüglich Verfügbarkeit

und Echtzeitfähigkeit nach wie vor eindeutig

charakterisieren.

Zunächst werden primäre Kenngrößen definiert:

Die Übertragungszeit (transmission time, t TT ) gibt

an, wie lange die Übertragung eines Nutzdatums

vom Producer (zum Beispiel ein Sensor) bis zum

Consumer (zum Beispiel eine Steuerung) dauert. Es

ist der Zeitabschnitt von der Übergabe des ersten

Bestandteils der Nutzdaten (Bit oder Oktett) an der

Schnittstelle zwischen Anwendung und Funkkommunikation

eines Producers bis zur Übergabe des

letzten Bestandteils derselben Nutzdaten an der

Schnittstelle zwischen Funkkommunikation und

Anwendung eines Consumers (Bild 3). Diese Kenngröße

berücksichtigt beispielsweise die bitratenabhängige

Sende- und Empfangszeit (t TX , t RX ) und die

Zeit für Telegrammwiederholungen im Fehlerfall.

Die Aktualisierungszeit (update time, t UT ) entspricht

im Idealfall dem Sendezeitintervall t TI (Bild 3). Das

heißt, die übertragenen Nutzdaten werden an der

Anwendungsschnittstelle des Consumers in denselben

zeitlichen Abständen übernommen, wie sie

an der Anwendungsschnittstelle des Producers

übergeben wurden. Die Aktualisierungszeit ist definiert

als der Zeitabschnitt von der Übergabe des

letzten Bestandteils der Nutzdaten eines Producers

an der Anwendungsschnittstelle eines Consumers

bis zur Übergabe des letzten Bestandteils der unmittelbar

nachfolgend übertragenen Nutzdaten vom

gleichen Producer. Die Aktualisierungszeit ist besonders

für die Bewertung der Echtzeitfähigkeit

von Anwendungen mit periodischem Kommunikationsbedarf

geeignet.

Anzahl verlorener Pakete N PL : Ein Paket gilt als

verloren, wenn ein an der Anwendungsschnittstelle

des Producers übergebenes Paket nicht an der

Anwendungsschnittstelle des Consumers übergeben

wird. Zusätzlich gilt ein empfangenes Paket

auch dann als verloren, wenn dessen Übertragungszeit

größer als ein Maximalwert ist. Außerdem wird

bei Paketvertauschungen das verspätete Paket als

BILD 3: Definition zeitlicher Kenngrößen

zur Bewertung von Funklösungen

BILD 5: Schematischer Aufbau des Emulators

BILD 4: Beispiel eines zeitund frequenzselektiven

Übertragungs faktors H(f,t) als

Spektrogramm. Dargestellt ist der

Betrag des Übertragungsfaktors von

-65 ... -40 dB im Frequenzbereich 2,42 ...

2,46 GHz über einen Zeitraum von 10 s.

48

atp edition

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HAUPTBEITRAG

Verlust gewertet, selbst wenn es den Maximalwert

noch nicht überschritten hat.

Aus den primären Kenngrößen werden zwei sekundäre

Kenngrößen abgeleitet:

Die Verfügbarkeit (availability, A) ist ein Maß für die

Fähigkeit, während eines gegebenen Zeitintervalls

eine geforderte Funktion zu erfüllen. Angewandt auf

die Funktion einer Funklösung ist die Verfügbarkeit

das Verhältnis der Zeit der fehlerfreien Datenübertragung

(uptime, t U ) zu einem Betrachtungszeitraum

(observation time, t O ). Werden während des Betrachtungszeitraums

insgesamt N TX Telegramme gesendet

und N RX Telegramme davon korrekt empfangen, so

kann deren Verhältnis für die Bestimmung der Verfügbarkeit

verwendet werden.

A = t U

t O

N RX

N TX

= (1)

Ist der Betrachtungszeitraum t O kleiner als die gesamte

Messzeit t M , so ergibt sich mit ∆N TX und ∆N RX

als den im Betrachtungszeitraum gesendeten und

empfangenen Telegrammen eine zeitabhängige Verfügbarkeit:

a(t) = ∆N RX

∆N TX

(2)

Bei einem zu langen Betrachtungszeitraum lassen

sich gehäufte Paketverluste und damit zeitlich begrenzte

Einbrüche der Verfügbarkeit nicht erkennen.

Für die Bestimmung der zeitabhängigen Verfügbarkeit

nach Gleichung (2) sollte daher der Betrachtungszeitraum

aus dem Sendezeitintervall t TI abgeleitet

werden.

t O = 10 ∙ t TI (3)

ist eine zu empfehlende Größe.

Oft wird statt der Verfügbarkeit die Paketverlustrate

(packet loss rate, PLR) zur Bewertung eines Kommunikationssystems

herangezogen:

N

PLR = PL N

= TX − N RX

= 1 − A(4)

N TX N TX

plr(t) =

∆N PL

∆N TX

= 1 − a(t) (5)

4. MODELLIERUNG INDUSTRIELLER FUNKKANÄLE

Die geeignete Modellierung industrieller Funkkanäle

ist ein notwendiger Bestandteil des entwickelten Messverfahrens.

Messungen in realen Umgebungen sind sehr

aufwendig und dadurch kostspielig, nicht reproduzierbar

und wegen eines laufenden Produktionsprozesses

ist der Zugang zu dieser Umgebung oft nicht möglich.

Eine geeignete Funkkanalemulation vermeidet diese

BILD 6: Exemplarischer Aufbau des Testsystems.

Oben: PC-Steuerung; Mitte von links: Multiface,

optionaler Spektrumanalysator, Vektor-Signalgenerator,

Multiface; unten von links: Testbox

mit DUT, Kanalemulator, Testbox mit DUT

Probleme. Erst damit wird eine Vergleichbarkeit getesteter

Funklösungen unterschiedlicher Standards und

Hersteller ermöglicht.

4.1 Vermessung industrieller Funkkanäle

Die vorbereitende Arbeit für die Modellierung der

Funkkanäle war die Analyse der relevanten HF-Übertragungsbedingungen

für die spezifizierten Anwendungsklassen.

Vor jeder Messung wurde die jeweilige

Umgebung mittels der festgelegten Einflussgrößen beschrieben.

Anschließend wurden HF-Messungen in

der realen Umgebung durchgeführt. Für die Charakterisierung

eines Funkkanals wird zweckmäßig der

komplexe Übertragungsfaktor H(f) verwendet. Er ist

identisch mit dem Streuparameter s 21 , der zum Beispiel

mit einem vektoriellen Netzwerkanalysator ermittelt

werden kann. Der Übertragungsfaktor wird

durch Mehrwegeausbreitung frequenzabhängig und

durch Bewegungseffekte zeitabhängig. Bild 4 zeigt ein

Beispiel, bei dem der Funksender an einem Roboterarm

platziert wurde.

Die wichtigsten statistischen Kenngrößen des durch

Mehrwegeausbreitung verursachten frequenzabhängigen

Übertragungsfaktors H(f) sind der Medianwert H Median und

die Schwankungshöhe ∆H 1090 . Der Median ist im Gegensatz

zum Mittelwert robust gegenüber einzelnen Ausreißern.

Die Schwankungshöhe ∆H 1090 bezeichnet den Be-

50

atp edition

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TABELLE 2: Gerätespezifische Einflussgrößen (Auszug aus der Testspezifikation)

Funksystem Wisa Base Station/Client Bluetooth Master/Slave

Modulation GFSK, FHSS GFSK, FHSS

Bitrate der physikalischen Verbindung 1 MBit/s 1 MBit/s

Medienzugriffsmechanismus FH, FDD, TDMA FH, TDMA

Adaptivität keine Adaptive Frequency Hopping (AFH)

Sendeleistung 10 dBm / 0 dBm 20 dBm

Empfängerempfindlichkeit -90 dBm / -72 dBm < -70 dBm

Duty cycle 100 % / 0,32 %

Sendezeit

Pausenzeit

2,048 ms / 0,128 ms

0 / 39,872 ms

Anzahl genutzter Frequenzkanäle 77 79

Management: 11,2 %

Data: 0,41 %

Management: 0,21 ms / 0,21 ms

Data: 0,41 ms

Management: 3,75 ms / 3,75 ms

Data: 100 ms

Mittenfrequenz 2403 MHz + n*1 MHz; n=0,....,76 2402 MHz + n*1 MHz; n=0,....,78

Bandbreite je Kanal 1 MHz 1 MHz

reich, in dem ausgehend vom Median 80 % aller Werte

liegen. Durch eine inverse Fourier-Transformation wird

∞

H(t) = ∫ –∞ H( f ) ∙ e πft d f(6)

bestimmt, womit sich das Impulsverhalten erkennen

lässt. Dessen wichtigste Kenngröße ist die effektive Verbreiterung

(delay spread) t RMS als Maß für das Abklingverhalten.

Diese Kenngröße korreliert mit der Kohärenzbandbreite

B C als Maß für die Breite der frequenzabhängigen

Schwankungen. Zusammengefasst gibt es somit

drei unabhängige charakteristische Kenngrößen für den

frequenzabhängigen Übertragungsfaktor.

Die entsprechenden drei unabhängigen statistischen Größen

existieren auch für den durch Bewegungseffekte hervorgerufenen

zeitabhängigen Übertragungsfaktor H(t): Medianwert

H Median und Schwankungshöhe ∆H 1090 . Durch eine

Fourier-Transformation erhält man das Doppler-Spektrum

∞

H(ν) = ∫ –∞ H(t) ∙ e –j2t νt d t(7)

Dessen wichtigste Kenngröße ist die effektive Verbreiterung

(Doppler spread) B D , welche mit der Kohärenzzeit

T C als Maß für die Breite der zeitabhängigen Schwankungen

korreliert ist.

Aus der statistischen Kenngröße H Median des Funkkanals

und den gerätespezifischen Einflussgrößen Sendeleistung

P S und Empfängerempfindlichkeit MDS der

Funkgeräte lässt sich mit

M dB = P S,dBm + H Median, dB – MDS dBm (8)

die Verbindungsreserve M (link margin) angeben. Beispielsweise

ergibt sich für die Sendeleistung 20 dBm mit

-80 dB mittlerem Übertragungsfaktor und einer Empfängerempfindlichkeit

-90 dBm die Verbindungsreserve

30 dB. Die mittlere Empfangsleistung liegt somit 30 dB

oberhalb der Empfängerempfindlichkeit. Dies ist eine

sehr gute Funkverbindung.

Zusätzlich zum Funkkanal müssen für jede Umgebung

die Störemissionen erfasst werden. Hierfür wird das

Emissionsspektrum mit einem echtzeitfähigen

Spektrum analysator und einer isotropen Antenne zeitund

frequenzvariant vermessen. Näheres zu den Messverfahren

findet sich in [6, 7].

4.2 Emulation industrieller Funkkanäle

Ein häufig angewendetes Realisierungsprinzip von

Kanalemulatoren verwendet diskrete Signalprozessoren

(DSP) oder programmierbare Logikschaltungen

(FPGA). Leider ist dies jedoch nicht im GHz-Bereich

möglich. Daher muss das Eingangssignal zunächst

in einen niederfrequenten Bereich heruntergemischt

und anschließend digitalisiert werden. In dieser niederfrequenten

digitalen Ebene wird die eigentliche

Emulation des Funkkanals ausgeführt. Anschließend

wird wiederum zunächst ein analoges Signal

atp edition

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51

HAUPTBEITRAG

erzeugt und in den ursprünglichen Frequenzbereich

hochgemischt. Dieses Verfahren hat mehrere Einschränkungen:

Es kann nur ein begrenzter Frequenzbereich umgesetzt

werden. Typisch sind 20 oder 40 MHz in einem

festgelegten Frequenzbereich.

Das Prinzip funktioniert nur in einer Übertragungsrichtung.

Um die physikalisch erforderliche Übertragungssymmetrie

zu erreichen, sind die Signalverarbeitungsketten

für Hin- und Rückrichtung getrennt

auszuführen. Der reale Signalweg muss also

künstlich in zwei getrennte Richtungen aufgeteilt

werden.

Ein reales Funksignal durchläuft einen derartigen

Emulator niemals in derselben Form wie den realen

Funkkanal, weil es durch elektronische Maßnahmen

verändert wird. Damit ergeben sich systembedingt

Nachteile bezüglich der Echtzeitfähigkeit und

eines begrenzten Datendurchsatzes.

Aus diesen Gründen wird im Beitrag ein anderer Ansatz

ohne Frequenzumsetzung und AD-Konversion verfolgt.

Es findet eine direkte breitbandige Emulation im realen

Frequenzbereich statt. Bild 5 zeigt das Prinzip. Der Aufbau

des Emulators erfolgt mit Signalteilern (gelbe Markierung),

programmierbaren Dämpfungsgliedern (grüne

Markierung) und Leitungen zur Laufzeitverzögerung

(rote Markierung).

Durch die begrenzte Anzahl der internen Ausbreitungspfade

kann keine exakte Nachbildung beliebiger

frequenzselektiver Übertragungsfunktionen erreicht

werden. Doch es hat sich gezeigt, dass reale industrielle

Funkkanäle ausreichend genau nachgebildet werden

können. Um auch zeitlich schnell veränderliche Kanäle

nachzubilden, wird der Emulator von einem echtzeitfähigen

Industrie-PC gesteuert. Die zeitliche Auflösung

liegt bei 1 ms. Dies bedeutet, dass pro Sekunde 1 000

verschiedene frequenzabhängige Übertragungsfaktoren

emuliert werden können. Dies hat sich für industrielle

Funkkanäle als ausreichend herausgestellt. Details zur

Generierung und Validierung der Kanalmodelle sind in

[2, 6] angegeben.

5. TESTSYSTEM

Basierend auf den theoretischen Vorarbeiten und der Entwicklung

relevanter Standardtestfälle zur einheitlichen

Zeit- und Fehlerbewertung industrieller Funklösungen

wurden eine Methodik und ein System zur Durchführung

dieser Testfälle erarbeitet. Hierzu wurden zunächst

die Anforderungen an ein solches Testsystem zusammengetragen.

Dabei handelt es sich in erster Linie um die

BILD 7: Gemessene

Übertragungszeit.

Links: reale Umgebung;

rechts: Emulation

BILD 8: Gemessene

Aktualisierungszeit.


rechts: Emulation

52

atp edition

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Umsetzung der in den Anwendungsprofilen beschriebenen

Anwendungsanforderungen, den zu erwartenden

Umgebungsbedingungen und den Geräte- und Systemeigenschaften

der Funklösungen. Eine exemplarische Umsetzung

des Standardtestsystems ist in Bild 6 dargestellt.

Die Anwendungsanforderungen werden durch die in

Bild 2 gezeigte Standardtestanwendung umgesetzt. Dabei

handelt es sich um eine PC-Software und um verteilte

Testkomponenten. Mit der PC-Software werden

Testprojekte verwaltet, Testfälle ausgewählt, das Testsystem

entsprechend konfiguriert, die Testdurchführung

gesteuert, der Testablauf dokumentiert und aus

den Messergebnissen ein Testzertifikat generiert. Zur

echtzeitgerechten Generierung der Testtelegramme und

zur Ermittlung der Kenngrößenwerte lassen sich verschiedene

Geräte einsetzen. Für Funkgeräte mit Ethernet-Schnittstelle

bietet sich der Einsatz eines kommerziellen

Analysegeräts (data quality analyser) an. Bei

Funkgeräten mit IO-Schnittstelle können zur Generierung

des Datenverkehrs Funktionsgeneratoren verwendet

werden. Für die Generierung und Vermessung von

Testtelegrammen von Funkgeräten mit digitalen IOoder

seriellen Schnittstellen (RS232, SPI und andere)

eignet sich ein spezielles Geräte, das Multiface [8].

Die Anforderungen der Umgebung werden durch das

in Bild 2 dargestellte Standardtestmedium umgesetzt.

Dazu gehören ein Kanalemulator, geschirmte Testboxen

und Geräte zur Emulation anderer Frequenznutzer,

das heißt Störer. Um äußere Einflüsse auszuschließen,

werden die zu testenden Geräte in den abgeschirmten

Testboxen untergebracht. Diese sind durch Koaxialleitungen

mit dem Kanalemulator verbunden. Der Kanalemulator

wird entsprechend des gewählten Testfalls

mit einem der im Abschnitt 4 beschriebenen Modelle

industrieller Funkkanäle konfiguriert. Zur Emulation

anderer Frequenznutzer kommen entweder ein Vektor-

Signalgenerator zum Einsatz oder reale Funkgeräte. Mit

dem Signalgenerator können deterministische und reproduzierbare

Störszenarien emuliert werden. Für

Funkgeräte sprechen ein realistischer Mediumszugriff

des Störsystems und damit eine realistische Wechselwirkung

zwischen dem zu testenden System und dem

Störer sowie geringere Anschaffungskosten. Dabei

wurden auch Szenarien betrachtet, bei denen eine reale

Funklösung zur dauerhaften Versendung von Telegrammen

mindestens zwei Funkgeräte benötigt.

Zur Berücksichtigung der Geräte und Systemeigenschaften

der Funklösungen wurden verschiedene Szenarien

untersucht. Die am häufigsten vorkommenden

Anwendungsschnittstellen wurden durch die Auswahl

und Gestaltung der verteilten Testkomponenten berücksichtigt.

Durch die geschirmten Testboxen können Funkgeräte

mit externem Antennenanschluss und Funkgeräte

mit interner, zum Beispiel PCB-Antenne, getestet wer-

BILD 9: Gemessene

Übertragungszeit.


rechts: Emulation

BILD 10: Gemessene

Aktualisierungszeit.


rechts: Emulation

atp edition

9 / 2013

53

HAUPTBEITRAG

den. Es sind Testszenarien für zu testende Funklösungen

mit einem oder mehreren Geräten sowie mit Infrastrukturkomponente

(zum Beispiel Basisstation) betrachtet

worden. Alle Geräte des Testsystems sind über Ethernet

miteinander verbunden und werden von der Standardtestanwendung

konfiguriert und gesteuert. Im Rahmen

des Forschungsvorhabens wurde der Demonstrator eines

Testsystems realisiert, mit dem dann Validierungstests

durchgeführt werden konnten. Ergebnisse dieser Validierungstests

werden nachfolgend beschrieben.

6. EXEMPLARISCHE TESTERGEBNISSE

Um einen Eindruck typischer Messergebnisse zu vermitteln,

werden exemplarisch Testergebnisse der Anwendungsprofile

Maschine und Fabrikhalle mit den Funksystemem

Wisa und Bluetooth vorgestellt. Tabelle 2 zeigt

einige gerätespezifische Einflussgrößen. Es handelt sich

jeweils um kommerzielle Standardprodukte.

6.1 Anwendungsprofil Maschine – Wisa

Die Messungen in realer Umgebung wurden in der Werkzeugproduktion

eines Automatisierungsunternehmens

durchgeführt. Dieses Testszenario entspricht den Bedingungen

in einer typischen industriellen Fertigungszelle.

Die Entfernung zwischen Producer und Consumer betrug

7,5 m bei gestörter Sichtverbindung. Als Funksystem

wurde Wisa (Tabelle 2) verwendet. Die Verbindungsreserve

betrug M = 31 dB. Somit handelt es sich um eine

ausgezeichnete Funkverbindung. Die Bilder 7 und 8 zeigen

die Histogramme der gemessenen Übertragungs- und

Aktualisierungszeit ohne Störer. In beiden Fällen liegt

eine nahezu perfekte Übereinstimmung zwischen den

Ergebnissen der realen Umgebung und der emulierten

Laborumgebung vor. Paketverluste traten nicht auf; die

Verfügbarkeit war 100 %.

6.2 Anwendungsprofil Fabrikhalle – Bluetooth

Die Messungen in realer Umgebung wurden in einer Fertigungshalle

eines Automatisierungsunternehmens

durchgeführt. Die Entfernung zwischen Producer und

Consumer betrug 72 m bei gestörter Sichtverbindung.

Dieses Testszenario spiegelt die Bedingungen in einer

typischen Fertigungshalle wider.

Als Funksystem wurde Bluetooth (Tabelle 2) verwendet.

Die Verbindungsreserve betrug lediglich M = 6 dB.

Somit handelt es sich um eine kritische Funkverbindung

an der Grenze der Systemempfindlichkeit. Die

Bilder 9 und 10 zeigen die Histogramme der gemessenen

Übertragungs- und Aktualisierungszeit ohne Störer.

Auch hier liegt in beiden Fällen eine sehr gute Übereinstimmung

zwischen den Ergebnissen der realen Umgebung

und der emulierten Laborumgebung vor. Es traten

keine Paketverluste auf, sodass die Verfügbarkeit erneut

100 % war.

7. PERFORMANCE-KLASSEN

Nach der Definition von Anwendungsprofilen und der

Herleitung von Standardtestfällen ist es für einen einfacheren

Vergleich drahtloser Funklösungen sinnvoll,

Performance-Klassen einzuführen. Hierzu werden drei

Performance-Klassen zur Bewertung des Zeitverhaltens

definiert (Bild 11):

Klasse A: Die Anforderungen der Anwendung

werden erfüllt.

Klasse B: Die Anforderungen der Anwendung

werden mit akzeptabler Toleranz erfüllt.

Klasse C: Die Anforderungen der Anwendung

werden nicht erfüllt.

Zur Festlegung der Klassengrenzen sind die Einflussgrößen

der Anwendungsprofile zu berücksichtigen. Als

Klassengrenze t A wird die maximale Übertragungszeit

je Verbindung definiert:

t A = t TI

n LL

(9)

Hierbei bezeichnet n LL die Anzahl der logischen Verbindungen

innerhalb des Netzwerks und t TI das anwendungsbezogene

Sendezeitintervall. Die Klassengrenze

t B wird mit

t B = 2 ∙ t A (10)

aus t A abgeleitet, wobei der Faktor 2 eine akzeptable Toleranz

berücksichtigt, die sich im Verlauf der Untersuchungen

als sinnvoll erwiesen hat.

Um nun eine Funklösung einer Performance-Klasse

zuweisen zu können, werden die in den Standardtests

ermittelten Kenngrößenwerte Übertragungs- und Aktualisierungszeit

(t TT , t UT ) verwendet. Als statistische

Kennwerte dieser Kenngrößen werden der Perzentil-

95-Wert der Übertragungszeit t TT,95 und die Standardabweichung

der Aktualisierungszeit t UT,SD herangezogen.

Die Verwendung dieser statistischen Kenngrößen ist

sinnvoll, weil dadurch einzelne Ausreißer der Messergebnisse

nicht ins Gewicht fallen. Die Verwendung der

maximalen Übertragungszeit (siehe zum Beispiel

Bild 9) würde zu sehr starken Bewertungsschwankungen

führen.

Die Summe der beiden Kenngrößen t TT,95 und t UT,SD wird

nun bezüglich der Klassengrenze bewertet:

Klasse A: t TT,95 + t UT,SD ≤ t A (11)

Klasse B: t A < t TT,95 + t UT,SD ≤ t B (12)

Klasse C: t B < t TT,95 + t UT,SD (13)

Als Beispiel sind die sich daraus ergebenden Performance-Klassen-Grenzen

der einzelnen Applikationsprofile

in Tabelle 3 aufgelistet.

Als Ergebnis zeigt Tabelle 4 beispielhaft eine Übersicht

über Testergebnisse für verschiedene Funklösungen und

54

atp edition

9 / 2013

BILD 11:

Performance-

Klassen

Maschine Fabrikhalle Prozessanlage

Spezielle

Applikation

Anzahl logischer Verbindungen 16 50 100 1

Sendezeitabstand / ms 100 250 4000 50

Klassengrenze A / ms 6,25 5 40 50

Klassengrenze B / ms 12,5 10 80 100

TABELLE 3:

Performance-

Klassen-Grenzen

der einzelnen

Applikationsprofile

Standard

TG name

Standard

TC name

TT UT Performance class

Mode P95 Mean SD Symbol Time Availability

Machine Standard 35,7 45,9 100,4 16,9 Ð 62,8 C 99,52%

Machine Interferer 15,8 18,9 40,0 3,4 Ð 5,6 A 100,00%

Factory hall Standard 10,2 12,8 32,0 1,6 Ð 14,4 C 100,00%

Factory hall Standard 0,3 2,4 31,9 2,1 P 4,5 A 99,96%

Factory hall Interferer 0,3 2,5 33,0 6,0 ! 8,5 B 97,92%

Factory hall Standard 0,4 0,6 32,0 0,3 P 0,9 A 100,00%

Factory hall Interferer 0,6 4,2 32,2 6,7 Ð 10,9 C 99,53%

Factory hall Interferer 0,5 3,6 32,0 5,0 ! 8,6 B 99,94%

Process plant Indoor - Movement 23,2 25,0 50,2 4,8 P 29,8 A 99,96%

Process plant Indoor - Movement 22,6 24,7 53,5 124,5 Ð 149,2 C 96,01%

Special Standard 0,4 0,5 10,0 0,2 P 0,6 A 100,00%

Special Standard 10,7 28,1 50,0 11,5 P 39,6 A 100,00%

TABELLE 4: Exemplarische Beispiele für Performance-Klassen und Verfügbarkeit

ausgewählte Testfälle. Im Vordergrund steht hier der

Vorschlag für die Ermittlung und Darstellung der Performance-Klasse

einer Funklösung. In der Tabelle sind

zunächst die statistischen Kennwerte der Kenngrößen

Übertragungszeit und Aktualisierungszeit aufgeführt.

In der Spalte Time wird die Summe aus Perzentil-

95-Wert der Übertragungszeit t TT,95 und Standardabweichung

der Aktualisierungszeit t UT,SD angegeben. Entsprechend

dieses Wertes erfolgt die Zuweisung zu einer

Performance-Klasse nach den Gleichungen (11–13). Zusätzlich

und unabhängig von der Zuordnung zu einer

der drei Performance-Klassen wird die messtechnisch

ermittelte gesamte Verfügbarkeit als Maß für das Fehlerverhalten

ausgewiesen. Die definierten Performance-

Klassen bewerten somit das Zeitverhalten einer Funklösung.

Die Verfügbarkeit bewertet das Fehlerverhalten.

ZUSAMMENFASSUNG

Mit den erfolgreich entwickelten Testverfahren dieses

Forschungsvorhabens haben nun Hersteller die Möglichkeit,

durch Labormessungen frühe Aussagen über

die Leistungsfähigkeit ihrer Funksysteme für eine bestimmte

Anwendungsklasse und -umgebung zu treffen.

Da die Emulatormessung im Gegensatz zu Messungen

in realen Umgebungen deterministisch und damit reproduzierbar

ist, können zum Beispiel verschiedene

Hard- und Softwareversionen vergleichend getestet

werden. Dies ist mit Messungen in einer realen Umgebung

nicht möglich.

Die vorgeschlagenen Performance-Klassen A, B, C mit

einer zusätzlichen Angabe der absoluten und zeitabhängigen

Verfügbarkeit bieten Herstellern und Anwendern

atp edition

9 / 2013

55

HAUPTBEITRAG

die Möglichkeit, für eine bestimmte Anwendungsklasse

eine optimale Funklösung zu entwickeln beziehungsweise

auszuwählen.

Die Ergebnisse sollen als Richtlinienblatt „Messtechnische

Performance-Bewertung von Funklösungen für industrielle

Automatisierungsanwendungen“ zur VDI/VDE-

Richtlinie 2185 veröffentlicht werden. Es richtet sich an

Hersteller industrieller Funklösungen, an Planer indust-

rieller Funkanwendungen, an Betreiber industrieller

Funkanwendungen, an Funktechnologielieferanten sowie

an Normungsgremien für die industrielle Kommunikation

und die Funkkommunikation.

MANUSKRIPTEINGANG

29.01.2013


DANKSAGUNG

Die Finanzierung dieses Forschungsvorhabens

erfolgte im Rahmen des IGF-Vorhaben 16192 BG/2

der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium

Maschinenbau e.V. – FKM, Lyoner Straße 18,

60528 Frankfurt am Main. Es wurde über die Allianz

Industrie Forschung (AIF) im Rahmen des Programms

zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung

und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium

für Wirtschaft und Technologie aufgrund

eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

gefördert. Der Abschlussbericht ist erhältlich von:

Deutsche Forschungsgesellschaft für

Automatisierung und Mikroelektronik e.V. (DFAM),

Jutta Langosch, Lyoner Str. 1, D-60528 Frankfurt,

E-Mail: jutta.langosch@vdma.org,

Internet: www.dfam.de

REFERENZEN

[1] VDI/VDE 2185: Funkgestützte Kommunikation in der

Automatisierungstechnik (Radio based communication

in industrial automation), September 2007

[2] FITS: Entwicklung von Standardtests zur einheitlichen

Bewertung industrieller Funklösungen. Ergebnisbereicht

IGF 16192 BG, http://www.dfam.de

[3] ISA SP100.11a: Draft Standard, 21.12.2007

[4] NE 124: Wireless Automation Requirements, 2009

[5] H. Gerlach-Erhardt, B. Kärcher: Alles unter einem

Dach – Wireless-Technologien der PNO sind komplett.

In: Tagungsband 9. VDI-Jahrestagung Wireless

Automation 2010, S. 85-92. VDI-Wissensforum 2010

[6] P. Neufeld, D. Block, U. Meier: Echtzeitfähige Vermessung

und Emulation industrieller Funkkanäle.

In: Tagungsband 12. Wireless Technologies Kongress,

S. 77-86. VDI Verlag 2010

[7] D. Block, H. Trsek, U. Meier: Real-Time Characterization

of Fast-Varying Industrial Wireless Channels.

Vortrag RADCOM 2013 - Radar, Communication and

Measurement, April 24 - 25, 2013

[8] A. Gnad, L. Gollub, L. Rauchhaupt: Multi-Functional

Interface for Tests of Industrial Wireless Solutions.

In: Proc. Embedded World Conference 2008, [CD].

Franzis 2008

AUTOREN

Prof. Dr.-Ing. UWE MEIER

(geb. 1959) leitet das Fachgebiet

Hochfrequenztechnik

im Institut für industrielle

Informationstechnik (inIT)

der Hochschule Ostwestfalen-Lippe

in Lemgo. Seine

derzeitigen Forschungsarbeiten

liegen im Bereich

‚Performance-Bewertung von industriellen

Funklösungen‘ und ‚Koexistenzoptimierung

industrieller Funksysteme durch kognitive

Ansätze‘.

inIT – Institut für industrielle Informationstechnik

Hochschule Ostwestfalen-Lippe,

Liebigstraße 87, D-32657 Lemgo,

Tel. +49 (0) 5261 70 21 50,

Fax: +49 (0) 5261 70 21 37 oder 70 23 73,

E-Mail: uwe.meier@hs-owl.de

Dr.-Ing. LUTZ RAUCHHAUPT

(geb. 1959) ist Leiter des

Forschungsschwerpunktes

Drahtlose Industrielle

Kommunikation am Institut

für Automation und Kommunikation

e.V. Magdeburg

(ifak). In dieser Funktion

leitet er nationale und

internationale Forschungs- und Entwicklungsprojekte

zu den Schwerpunkten Spezifikation,

Implementierung und Analyse industrieller

Kommunikationsprotokolle und -profile. Seit

über zehn Jahren konzentriert sich seine Arbeit

auf funkgestützte industrielle Kommunikation.

ifak – Institut für Automation

und Kommunikation e.V. Magdeburg,

Werner-Heisenberg-Str. 1, D-39106 Magdeburg,

Tel. +49 (0) 391 990 14 95,

Fax: +49 (0) 391 990 15 90,

E-Mail: lutz.rauchhaupt@ifak.eu

56

atp edition

9 / 2013

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Prozessleitsystemen

– so geht‘s

Das praxisorientierte Lehrbuch befasst sich mit der Einrichtung von

Prozessleitsystemen. Anhand einer experimentellen Forschungsanlage

werden die Herausforderungen hinsichtlich Anlagensicherheit und Anlagenverfügbarkeit

dargestellt. Auch auf Modularisierung und virtuelle

Inbetriebnahme von Anlagen geht der Autor ein.

Hrsg.: Leon Urbas

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PAEVPL2013




HAUPTBEITRAG

Smart Meter Gateway als

Vorbild für die Automation

BSI-Richtlinie erhöht Informationssicherheit

Die Kommunikationstechnik für die Zählerfernauslesung (Smart Metering) und für die

Energieerzeugungs- und -verteilnetze (Smart Grid) hat das Potenzial, zu einer der ersten

hoch skalierten M2M-Anwendungen zu werden. In den vergangenen Jahren konnten zwei

vielversprechende Entwicklungen im Umfeld der drahtlosen Kommunikation für die

Smart-Grid-Kommunikation vorbereitet werden, die das Marktgeschehen über Deutschland

und über die Versorgungstechnik hinaus beeinflussen könnten. Neben der Spezifikation

der OMS-Gruppe ist die Erarbeitung eines Schutzprofils (Protection Profile, PP)

sowie einer Technischen Richtlinie (TR) für die Kommunikationseinheit eines intelligenten

Messsystems (Smart Meter Gateway) durch das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik

(BSI) zu nennen. Diese greifen, wie der Beitrag beschreibt, den Stand

der Technik auf und geben praxisorientierte Umsetzungen vor.

SCHLAGWÖRTER BSI Schutzprofil / Sicheres Smart Meter Gateway / PKI

Smart meter gateway as model for automation –

Do official guidelines increase information security?

The communication technologies for automatic meter reading (smart metering) and for

energy production and distribution networks (smart grids) have the potential to be one of

the first highly scaled M2M-applications. In recent years, there have been two very promising

developments for wireless smart grid communications which could have an impact

far beyond energy automation.

In addition to the specifications of the OMS Group, the German Federal Office for Information

Security has developed a protection profile (PP) and a technical directive (TR) for

the communication unit of an intelligent measurement system (Smart Meter Gateway),

which were released in March 2013. This design uses state of the art technologies and

specifies their implementation in real-life systems.

KEYWORDS Protection profile / secure smart meter gateway / PKI

58

atp edition

9 / 2013

AXEL SIKORA, Hochschule Offenburg

Die Kommunikationstechnik für die Zählerfernauslesung

(Smart Metering) und für die Energieerzeugungs-

und -verteilnetze (Smart Grid)

hat nicht erst seit der Energiewende Konjunktur.

Das Thema wurde von der Europäischen

Kommission schon 2002 auf den Weg gebracht [1]. Allerdings

hat der deutsche Energiemarkt in diesem Bereich

lange Zeit keine Vorreiterrolle eingenommen. Es blieb

bislang bei fast allen Energieversorgern bei kleineren

Feldtests. Das wird sich nun dank zweier außerordentlich

positiver Entwicklungen im Umfeld der drahtlosen Kommunikation

für Smart-Grid-Anwendungen ändern.

Die Gruppe Open Metering System (OMS) hat einen

Kommunikationsstandard erarbeitet, der auf dem Metering

Bus (M-Bus) und seiner drahtlosen Erweiterung,

dem Wireless M-Bus nach EN 13757-4 [2], basiert. Dieser

OMS-Standard beschreibt die unteren beiden Schichten

(physical layer, data link layer) und die Applikationsobjekte

für Elektrizität, Gas, Wasser und Wärme [3]. Er enthält

auch Vorgaben für die Gewährleistung der Datensicherheit

[4].

Die zweite Entwicklung nimmt darauf Bezug. Vor dem

Hintergrund der möglichen Bedrohungen im Umfeld der

Smart-Grid-Kommunikation formulierte die Bundesregierung

früh die Anforderungen an die Sicherheitsarchitektur

intelligenter Netze, um Datenschutz und Datensicherheit

zu gewährleisten. Daher wurde das Bundesamt

für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI)

durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie

(BMWi) im September 2010 mit der Erarbeitung

eines Schutzprofils (Protection Profile, PP) sowie im

Anschluss einer Technischen Richtlinie (TR) für die

Kommunikationseinheit eines intelligenten Messsystems

(smart meter gateway) beauftragt, um einen einheitlichen

Sicherheitsstandard für alle Marktakteure zu

schaffen. Diese Arbeiten sind mit der Veröffentlichung

der ersten verabschiedeten Version 1.0 im März 2013

vorläufig abgeschlossen [5]. Nach § 21d des Energiewirtschaftsgesetzes

(EnWG) ist diese Kombination aus Kommunikationsnetz

und Messeinrichtung verpflichtend in

den Haushalten bestimmter Kundengruppen einzubauen,

wobei die Anforderungen an Datenschutz und Datensicherheit

erfüllt werden müssen.

Es ist davon auszugehen, dass diese Richtlinien aus

zwei Gründen Modellcharakter auch für andere Branchen

haben werden:

Das Ergebnis der Arbeiten mit dem Schutzprofil und

den technischen Richtlinien ist mustergültig und

stellt einen (meist) sinnvollen Kompromiss zwischen

dem technisch Möglichen und wirtschaftlich

Machbaren dar. Dabei ist das erreichte Sicherheitsniveau

anspruchsvoll, nimmt aber auf viele praktische

Aspekte Rücksicht. Es basiert auf bewährten

Protokollen aus der IT-Welt. Der Versuch, eine Parallelwelt

zu entwickeln, wurde glücklicherweise

nicht unternommen.

Hierbei scheuten die Verfasser sich nicht, auf Verfahren

und Vorgaben von potenziellen (teilüberlappenden)

Konkurrenten, wie den Common Criteria

[10, 11], zurückzugreifen beziehungsweise auf diese

zu verweisen.

Zusätzlich wurden weitere Vorgaben in Bezug auf

den korrekten Einsatz dieser Protokolle erarbeitet,

die zur Sicherheit im praktischen Einsatz beitragen.

Der Prozess zur Erarbeitung der Schutzprofile und

Richtlinien ist ebenfalls als erfolgreich zu bezeichnen,

weil er innerhalb kurzer Zeit zu tragfähigen

und zukunftsfähigen Ergebnissen geführt hat. Dabei

gelang es gleichermaßen, die führende Hand des

Staates und die praktischen und wirtschaftlichen

Belange der Industrie zu berücksichtigen. Andere

Beispiele von übergreifenden Abstimmungsprozessen,

wie bei der elektronischen Gesundheitskarte,

zeigen, dass dies nicht selbstverständlich ist.

Um Missverständnisse zu vermeiden: Dem Autor wie allen

anderen Beteiligen sind sehr wohl eine Reihe von Schwächen

im Detail bekannt. Diese halten ihn jedoch nicht davon

ab, die große Entwicklungslinie für vorbildlich zu halten.

Generell erscheint es immer weniger sinnvoll, die Sicherheitslösungen

allzu anwendungsspezifisch zu definieren.

atp edition

9 / 2013

59

HAUPTBEITRAG

Erstens werden die Anforderungen – und die verwendeten

Basisprotokolle, wie IP – immer ähnlicher, sodass die technische

Notwendigkeit in zunehmendem Maße entfällt. Zweitens

verbauen allzu spezifische Lösungen die Möglichkeit

von integrierten, gewerkeübergreifenden Lösungen.

Deshalb erscheint es plausibel, dass sich die Automatisierungstechnik

den anderen Anwendungsbereichen

anschließt und auf die Erfahrungen der kostengünstigen

und skalierbaren IP-basierten Protokolle zurückgreift.

In Bezug auf die Automatisierungstechnik soll dieser

Beitrag die Aktivitäten anderer Assoziationen und Allianzen,

wie der ISA 99, nicht entwerten, sondern im Gegenteil

anregen.

1. DRAHTLOSE SENSOR- UND AKTORNETZWERKE

Drahtlose Sensor- und Aktornetzwerke haben anwendungsübergreifend

Eingang in reale Netzwerke gefunden.

Um Missverständnisse zu vermeiden, wird im Beitrag

auf die im technischen Sprachgebrauch verbreitete

Bezeichnung Wireless Sensor Actuator Networks

(WSAN) verzichtet, weil unter dieser Bezeichnung auch

die drahtlose Erweiterung von Profinet-IO-Devices vermarktet

wird. Dabei sind sie ein wesentliches Element

des entstehenden Internet der Dinge (Internet of things,

IoT) und erlauben die flexible Anbindung der cyberphysischen

Systeme (CPS). Folgende grundlegende Aussagen

lassen sich für solche Netzwerke übergreifend über

alle Anwendungsgebiete machen.

Die drahtlosen Sensor- und Aktornetzwerke

erreichen nur eine geringe Reichweite und Bandbreite,

aber das zu geringen Kosten und geringem Energiebedarf,

was die Anbindung der Sensoren und

Aktoren technisch und wirtschaftlich in vielen Fällen

überhaupt erst ermöglicht.

bilden nur lokale Netzwerke, die auf ein oder wenige

Büros, eine oder wenige Produktionszellen, Prozessanlagen,

ein oder wenige Krankenzimmer oder

ein Wohngebäude beschränkt sind.

ergänzen die bestehenden Netzwerke in Richtung

einer dezentralen Peripherie. Sie sind in keinem der

Fälle für die gesamte Kommunikation zuständig,

sondern werden dann eingesetzt, wenn

die kabelgebundene Anbindung zu teuer oder

technisch unmöglich wäre, oder

eine Anbindung über drahtlose Weitverkehrsnetze

im Sinne herkömmlicher Machine-to-Machine-

Kommunikation (M2M) unter Nutzung von GPRSoder

UMTS-Netzwerken in Anschaffung und

Betrieb zu teuer, energetisch unmöglich oder in

Bezug auf das Zeitverhalten zu langsam wäre.

Alle Erwartungen, dass die drahtlosen Sensor- und Aktornetzwerke

eine dominierende Rolle bei der Abwicklung

des Datenverkehrs spielen würden, erscheinen insbesondere

für die Automatisierungstechnik eher marketinggetrieben

als technisch fundiert.

Die drahtlosen Sensor- und Aktornetzwerke

können zwar Information für lokale zeitnahe Regelungsvorgänge

austauschen, benötigen in vielen

Fällen aber eine Anschaltung an die übergeordneten

Netzwerke, um ein ausreichendes Monitoring,

sowie eine Einbindung in ein übergreifendes,

derzeit meist zentralisiert organisiertes Leitsystem

zu erreichen. In diesem Zusammenhang

ist insbesondere auch die Anbindung der verteilten

Sensoren und Aktoren an die Embedded

Cloud zu erwähnen.

sind in besonderer Weise in Bezug auf die Datensicherheit

zu schützen. Dies ist darauf zurück zu führen,

dass

Quaternärkommunikation

zwischen Marktteilnehmern

Backend-Server

(Marktteilnehmer 2)

Backend-Server

(Marktteilnehmer 1)

Adminstrator

Tertiärkommunikation

(Wide Area Network, WAN)

Generator

Sensor

Aktor

Benutzerschnittstelle

Sekundärkommunikation

(Home Area Network, HAN)

Gateway

Sensor

Sensor

Primärkommunikation

(Local Metrological Network, LMN)

BILD 1:

Mehrstufige Architektur (A1)

für drahtlose Sensor-Aktor-

Netzwerke in sehr stark räumlich

verteilten Anwendungen.

60

atp edition

9 / 2013

aufgrund der zunehmenden Nutzung der Luftschnittstelle

Angriffe ohne unmittelbaren physischen

Zugang möglich sind,

sie einen direkten Zugriff auf die Sensoren, vor

allem aber auch auf die Aktoren erlauben,

sie durch die häufige Anbindung an übergeordnete

Netzwerke einen Backdoor-Zugang in diese

erlauben können,

sie aufgrund ihrer – aus Kosten- und Energiegründen

– meist sehr beschränkten Hardware-

Ressourcen nur grundlegende Aufgaben bei der

Absicherung übernehmen können.

Unter Datensicherheit werden im Beitrag die typischen

Anforderungen Vertraulichkeit, Integrität, Authentifizierung,

Autorisierung, Unabweisbarkeit und Verfügbarkeit

verstanden [6]. Sicherheit lässt sich erreichen durch

das Vermeiden von Gefahren oder durch den Schutz vor

Gefahren.

1.1 Mehrstufige Architekturen

Auf Grund der im vorangegangenen Abschnitt beschriebenen

Sachverhalte ergeben sich mehrstufige

Netzwerkarchitekturen, bei denen die drahtlosen Sensor-Aktor-Netzwerke

die unterste Ebene darstellen. Die

Bilder 1 und 2 veranschaulichen zwei typische Architekturen.

Bild 1 zeigt die mehrstufige Architektur für drahtlose

Sensor-Aktor-Netzwerke in sehr stark räumlich verteilten

Anwendungen, im Folgenden als A1 bezeichnet. Anwendungsbeispiele

sind das Smart Metering, Telehealthoder

Telecare-Anwendungen, die Hausautomation aber

ebenso das Monitoring in der Prozessautomation und der

Logistik. In dieser Architektur werden vier Netzwerkebenen

unterschieden:

Die Primärkommunikation oder im Falle des Smart

Metering das Local Metrological Network (LMN)

erlaubt die Anbindung von Sensoren an einen Datensammler.

Die Sekundärkommunikation stellt den Zugriff von

lokalen Benutzern auf die lokalen Daten zur Verfügung.

Diese erfolgt nach der Architektur über das

Gateway – und nicht über den Datensammler oder

über das Backend.

Die Tertiärkommunikation ermöglicht als Weitverkehrsnetz

(wide area network, WAN) die Anbindung

an die Backend-Systeme und Marktteilnehmer.

Die Quaternärkommunikation erlaubt den Datenaustausch

zwischen Marktteilnehmern.

Bild 2 zeigt die mehrstufige Architektur A2 für die Automationspyramide

in räumlich konzentrierteren Anwendungen.

Typische Anwendungsbeispiele kommen

aus den Bereichen Industrie- oder Prozessautomation

sowie aus der Gebäudeautomation. Im weiteren Sinne

können auch Automotive-Netze hier eingeordnet werden.

Im Unterschied zur Architektur A1 gibt es umfangreiche

lokale Netzwerke auf verschiedenen Ebenen, die

klassischerweise über dezentrale Gateways verschaltet

und über ein zentrales Gateway mit globalen Netzwerken

verbunden werden.

1.2 Gateways

Der mehrstufige Aufbau erfordert Kopplungselemente

zur Verbindung der unterschiedlichen Ebenen. Da diese

Kopplung in der Regel auf Anwendungsebene durchgeführt

wird, hat sich der Begriff der Gateways durchgesetzt.

Gateways haben unabhängig von der Architektur

folgende Aufgaben zu erfüllen:

Visualisierung

Weitverkehrsnetz

Leitgerät

Steuergerät

Steuergerät Steuergerät Steuergerät

Gateway

Feldgerät

Feldgerät

Sensor

Feldgerät/

Gateway

Aktor

Sensor

BILD 2:

Mehrstufige Architektur (A2)

für drahtlose Sensor-Aktor-Netzwerke

in räumlich konzentrierteren

Anwendungen.

atp edition

9 / 2013

61

HAUPTBEITRAG

Sie müssen die physische Anbindung an die verteilten

Sensoren und Aktoren ermöglichen und damit

deren Protokolle auf den Schichten 1 bis 4 unterstützen.

In Abhängigkeit von den zeitlichen Zugriffsmöglichkeiten

muss Information zwischengespeichert

werden können.

Sie müssen die physische Anbindung an die übergeordneten

Netzwerke und damit deren Protokolle

auf den Schichten 1 bis 4 unterstützen. Auch in diese

Richtung muss das Gateway in Abhängigkeit von

den zeitlichen Zugriffsmöglichkeiten Information

zwischenspeichern können. Im Zusammenhang mit

der Kopplung muss dann entsprechend eine Umsetzung

dieser Protokolle erfolgen.

In der Regel kommen in den Netzwerken der unteren

Ebenen deutlich einfacher strukturierte Datenmodelle

als in den oberen Ebenen zum Einsatz, sodass

eine Formatumsetzung auch auf der Anwendungsebene

notwendig wird. Deswegen wird von einem

Gateway gesprochen, weil die Übersetzung auf Anwendungsebene

(Schicht 7) erfolgt.

Herkömmliche Client-Server-Systeme sind für die

Kommunikation von zwei asymmetrischen Partnern

ausgelegt. Um diese Beschränkung auf 1:1-Beziehungen

aufzubrechen, die zum Beispiel den Einsatz

herkömmlicher Webclients nur eingeschränkt erlauben

würden, werden Portalserver eingesetzt, die den

Verkehr auf mehrere Server verteilen.

In der Regel übernehmen die Gateways als Koordinatoren

die Aufgaben der Netzwerkverwaltung in

den untergeordneten Netzwerken. Diese kann

funktionale Aufgaben beinhalten wie die Adressvergabe

oder die Zugriffsteuerung, aber ebenso

Sicherheitsaufgaben, wie die Schlüssel- und Verbindungsverwaltung,

die Benutzerverwaltung und

die zugehörige Authentifizierung und Autorisierung.

Auch Filteraufgaben (Firewall) gehören zum

Aufgabenumfang.

1.3 Vergleich der Anforderungen

Beim Vergleich der beiden Architekturen A1 und A2

ergeben sich wesentliche Unterschiede. Bei verteilten

Systemen (A1) ist schon die Primärkommunikation zwischen

Datenpunkt und dem Gateway in zweierlei Hinsicht

öffentlich. Erstens werden zunehmend Funksysteme

eingesetzt und zweitens wird in den meisten Fällen

über öffentlich zugängliche Bereiche übertragen. Automationsnetze

(A2) sind stattdessen klassischerweise in

doppelter Hinsicht geschützt: Sie haben den Schutz über

mehrere Netzwerkebenen und werden dort jeweils über

Gateways und Firewalls vor unerlaubtem Zugriff geschützt.

Sie befinden sich räumlich häufig im Betriebsgelände,

das nicht allgemein zugänglich ist.

Diese Unterschiede werden herangezogen, um zu begründen,

warum die Sicherheitsarchitekturen der verteilten

Systeme nicht in räumlich konzentrierten Umgebungen

(A2) umgesetzt werden können. Diese beiden

Aspekte verändern sich aber zunehmend, wie in den

folgenden Punkten erläutert und in Bild 3 gezeigt wird.

Insbesondere im Bereich der Prozessautomation werden

sehr wohl große Netze aufgebaut, die nicht nur

auf ein Firmengebäude beschränkt sind. Dies führt

dazu, dass der physische Zugriff nicht mehr so limitiert

werden kann, wie dies bei ganz lokalen Netzen

in einzelnen Produktionszellen der Industrieautomation

klassischerweise erfolgen konnte.

Bei Anwendungen in der Prozess- und Industrieautomation

kommen zunehmend drahtlose Übertragungsprotokolle

für Sensor-Aktor-Netzwerke zum

Einsatz. Damit ist die räumliche physische Begrenzung

nicht mehr so aufrechtzuerhalten, wie dies in

den klassischen drahtgebundenen Protokollen der

Fall war. Trotz dieses Risikos weisen viele der drahtlosen

Kommunikationsprotokolle für Anwendungen

der Prozess- und Industrieautomation nur ein geringes

Schutzniveau auf.

Beide Architekturen lassen sich durch einen unmittelbaren

Zugriff von Bediengeräten erweitern (Bild 3).

Dies bedeutet, dass zum Beispiel auf ein Sensor- oder

Aktorelement auch lokal zugegriffen werden kann,

um beispielsweise zu parametrisieren, Messdaten

auszulesen oder ein Firmware Update durchzuführen.

Wenn dieser Zugriff durch eine drahtlose

Schnittstelle erfolgt, stellen diese Erweiterungen

eine wesentliche Veränderung der Sicherheitsarchitektur

dar, weil dadurch ein unkontrollierter Zugang

(backdoor) zu den Geräten und den Netzwerkverbindungen

eröffnet wird. Es ist deswegen von zentraler

Bedeutung, diese Zugriffe abzusichern.

2. BSI-RICHTLINIEN

Die Gateways besitzen in Bezug auf die Absicherung der

Kommunikationsstrecken eine zentrale Stellung. Die

funktionalen und sicherheitsbezogenen Bestandteile der

BSI-Richtlinien müssen entsprechend umgesetzt werden.

Die Erfahrung aus vielen Projekten zeigt, dass diese

Umsetzung bislang sehr spezifisch und damit immer

wieder neu und in vielen Fällen nicht vollständig erfolgt

ist. Deswegen erscheint es dem Autor als ein wesentlicher

Schritt, dass diese Bestandteile nun umfassend in

der BSI-Richtlinie beschrieben sind. Die Vorgaben betreffen,

wie in Bild 1 gezeigt,

die Absicherung der Kommunikation zwischen Sensor

und Gateway (local metrological network, LMN,

vergleiche Abschnitt 2.1),

die Absicherung der Kommunikation mit externen

Teilnehmern und damit unter Umständen auch einem

Backend-System oder der fälschlicherweise so

benannten Embedded Cloud im Weitverkehrsnetz

(wide area network, WAN, siehe Abschnitt 2.2),

die Absicherung der Kommunikation zwischen

Gateway und weiteren Benutzern, sowie aktiv geschalteten

Lasten (home area network, HAN, vergleiche

Abschnitt 2.3),

die Absicherung und die Architektur des Gateways

an sich, deren wesentliche Eigenschaften in Abschnitt

2.4 erläutert werden.

62

atp edition

9 / 2013

BILD 3:

Mehrstufige Architektur (A2) für

draht lose Sensor-Aktor-Netzwerke in

räumlich konzentrierteren Anwendungen

mit verteilten Benutzerschnittstellen.

Visualisierung

Leitgerät

Weitverkehrsnetz

Steuergerät

Steuergerät Steuergerät Steuergerät

Gateway

Feldgerät

Feldgerät

Feldgerät/

Gateway



Sensor

Aktor

Sensor

2.1 Absicherung der Primärkommunikation

Die Absicherung der Primärkommunikation muss sich

– wie bei den anderen Kommunikationsstrecken – auf

beide Übertragungsrichtungen beziehen. Die in Abschnitt

2.2 erwähnten Schutzziele müssen in Bezug auf

die Kommunikation vom Datensammler zum Gateway

und vom Gateway zum Datensammler gewährleistet werden.

Insbesondere muss sichergestellt werden, dass sich

über den Kommunikationskanal weder der Datensammler

noch das Gateway angreifen lassen.

Generell wird eine symmetrisch verschlüsselte Datenübertragung

gefordert, wobei als häufigste Variante

die bewährte AES-Verschlüsselung zum Einsatz kommen

wird. Wird eine bidirektionale Kommunikation

unterstützt, bei der zum Beispiel Konfigurationsdaten

oder eine neue Firmware in den Datensammler übertragen

werden können, dann muss zusätzlich beidseitig

authentifiziert werden. Ferner ist zu berücksichtigen,

dass die Verwendung eines statischen Schlüssels

hohe Risiken birgt. Entsprechend wird ein dynamischer

Schlüssel gefordert. Ein sicherer Austausch von

gemeinsamen Schlüsseln, wie sie dann in effizienten

symmetrischen kryptografischen Verfahren eingesetzt

werden können, ist mit Hilfe von asymmetrischen

kryptografischen Verfahren möglich, die unter Verwendung

von Zertifikaten gleichzeitig die Authentifizierung

erlauben.

Eine solche Abfolge wird im Bereich der Internet-Protokollfamilie

schon seit Jahren vor allem beim Transport

Layer Security Protocol (TLS) eingesetzt und so ist es

sinnvoll, auf das gleiche Protokoll zurückzugreifen. TLS

liegt in der Version 1.2 vor und hat über seinen Vorgänger

Secure Socket Layer (SSL) schon mehrere Revisionen

durchlaufen, in denen sukzessiv beobachtete Sicherheitslücken

geschlossen wurden [7, 8]. Der Aufbau für

die Primärkommunikation ist dahingehend beschrieben,

dass das Gateway als TLS-Server und der Sensor als TLS-

Client agieren und zum Beginn einer TLS-Session eine

beidseitige Authentifizierung durch den Austausch der

Zertifikate erfolgt.

Die Implementierung von TLS stellt hohe Anforderungen

an die Rechenleistung der beteiligten Mikrocontroller

und an den Kommunikationskanal. Aus diesem

Grund darf eine solche Session, während der ein statischer

Schlüssel verwendet wird, maximal einen Monat

(31 Tage) aufrecht erhalten werden, bevor eine neue Session

mit einem neuen Schlüssel ausgehandelt werden

muss. Alternativ muss eine Session nach der Übertragung

von 5 Megabyte Nutzdaten neu aufgebaut werden.

Eine Wiederaufnahme der Session (Session Resumption)

innerhalb dieser Zeit ist erlaubt, eine Neuverhandlung

(Renegotiation) nicht.

Da TLS-Pakete recht lang sein können, wird eine zusätzliche

Fragmentierungsschicht eingeführt. Die Definition

des Authentication and Fragmentation Layer

(AFL) kann als generisches Beispiel verstanden werden,

wie eine standardkonforme TLS-Verbindung auch über

bandbreitenbegrenzte und fehlerbehaftete Kanäle übertragen

werden kann.

Um die Einbindung von kostengünstigeren Sensoren

zu ermöglichen, wird ein zweiter Weg der Gefahrenvermeidung

eröffnet. Die Verwendung von statischen

Schlüsseln für symmetrische Verschlüsselungsverfahren

ist im unidirektionalen Betrieb erlaubt.

Auf diese Weise können zumindest die Sensoren

nicht angegriffen werden. Dabei ist davon auszugehen,

dass auf Grund der höheren Rechenleistung das

Gateway ein besseres Monitoring im Hinblick auf

Intrusion-Detection-Systeme (IDS) oder Intrusion-

Prevention-Systeme (IPS) und Filterfunktionen

(Firewall) unterstützen kann.

atp edition

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63

HAUPTBEITRAG

2.2 Absicherung des Weitverkehrsnetzes

Die Kommunikation in das Weitverkehrsnetz wird mit

TLS mindestens der Version 1.2 abgesichert. Ein Fallback

auf eine ältere TLS-Version darf nicht möglich sein. Für

die Kommunikation mit Teilnehmern im WAN muss das

Gateway immer in der Rolle des TLS-Client und die Gegenstelle

in der Rolle des TLS-Servers agieren. Dabei

muss immer ein beidseitig auf Zertifikaten basierender

authentifizierter TLS-Kanal aufgebaut werden. Die Zertifikate

müssen hierbei aus der Smart-Metering-Public-

Key-Infrastruktur stammen.

Wichtig erscheint der Aspekt, dass das Gateway keine

TLS-Verbindungen akzeptiert, die von Teilnehmern aus

dem WAN initiiert werden. Das Gateway kann jedoch für

einen bestimmten Fall über den Wake-Up-Dienst veranlasst

werden, eine TLS-Verbindung zu einem vorkonfigurierten

Administrator aufzubauen. Auf diese Weise lässt sich ein

zeitnaher Zugriff vom Administrator unterstützen, ohne

dass ein zusätzliches Sicherheitsrisiko eröffnet wird.

Eine TLS-Session darf maximal für zwei Tage betrieben

werden. Eine Wiederaufnahme der Session (session

resumption) ist in dieser Zeit erlaubt. Mit dieser verschärften

Anforderung wird den in der Regel größeren

Ressourcen von Gateway und Anlagen im Backend Rechnung

getragen.

2.3 Absicherung des lokalen Netzes

Der Zugriff von lokalen Benutzern ist von großer Bedeutung,

um direkt vor Ort auf Daten zugreifen zu können.

Im Zusammenhang mit Smart-Grid-Anwendungen ist in

diesem HAN auch der Anschluss von fernsteuerbaren

Geräten (controllable local systems, CLS) möglich. Darunter

werden dezentrale Erzeuger wie PV-Anlagen,

Blockheizkraftwerke und größere Verbraucher verstanden.

Diese können vom Backend gesteuert werden, wobei

das Gateway im Wesentlichen die Funktion eines sicheren

Proxy übernimmt. Die jeweiligen TLS-Verbindungen

werden jeweils im Gateway terminiert.

Neben weiteren Beschränkungen ist darauf hinzuweisen,

dass der Zugriff auf die Datensammler nicht unmittelbar

erfolgen darf. Ein schreibender Zugriff kann

(wie in Abschnitt 2.1 erläutert) nur nach einer zweiseitigen

Authentifizierung über das Gateway ablaufen. Die

eichrelevanten Einheiten sind vom Zugriff komplett

ausgenommen.

2.4 Gateway-Architektur

Um die in den vorangegangenen Abschnitten beschriebenen

Absicherungen durchführen zu können, hat das Gateway

eine Reihe von zentralen Aufgaben für die Verwaltung

und die Speicherung zu erfüllen. Es ist ein besonders

zu schützendes Objekt, da bei einer Manipulation des

Gateways die gesamte Sicherheitskonzeption in Frage gestellt

werden muss. Aus diesem Grund wird gefordert,

dass in dem Gateway ein Sicherheitsmodul eingesetzt

wird. Bei einem solchen Sicherheitsmodul handelt es sich

entweder um einen getrennten Baustein oder um einen

– mittlerweile in einigen leistungsfähigen Prozessoren –

integrierten Funktionsblock, der in besonderer Weise

REFERENZEN

[1] 2002/91/EC: Directive 2002/91/EC of the European

Parliament and of the Council of 16 December 2002 on the

energy performance of buildings. http://europa.eu/legislation_summaries/other/l27042_en.htm

[2] EN-13757: Communication systems for meters and remote

reading of meters. Part 1: Data exchange, Part 2: Physical and

link layer, Part 3: Dedicated application layer, Part 4: Wireless

meter readout (Radio meter reading for operation in the 868 MHz

to 870 MHz SRD band), Part 5: Relaying, Part 6: Local Bus.

[3] OMS: Open Metering System Specification, Volume 2, Primary

Communication, OMS, Issue 3.0.1 / 2011-01-29. http://oms-group.

org/download/OMS-Spec_Vol2_Primary_v301.pdf

[4] OMS: OMS Technical Report 01 Security.

http://oms-group.org/download/OMS-TR01_Security_v110.pdf

[5] BSI: Smart Metering Systems – Intelligente Mess systeme.

https://www.bsi.bund.de/DE/Themen/SmartMeter/smartmeter_node.htm

[6] Sikora, A.: Technische Grundlagen der Rechnerkommunikation:

Internet-Protokolle und Anwendungen. Carl Hanser Verlag 2003

[7] Oppliger, R.: SSL and Tls: Theory and Practice.

Artech House 2009

[8] Jaeckel, S., Braun, N., Sikora, A.: Design Strategies for

Secure Embedded Networking. In: A.U.Schmidt,

M. Kreutzer, R. Accorsi (Hrsg.) Long-Term and Dynamical

Aspects of Information Security:Emerging Trends in

Information and Communication Security, S. 149-155.

Nova Science Publisher 2007

[9] Trusted Computing Group:

https://www.trustedcomputinggroup.org

[10] The Common Criteria, http://www.commoncriteriaportal.org/

[11] BSI: Guidelines for Developer Documentation according to

Common Criteria Version 3.1 Version.

http://www.commoncriteriaportal.org/files/ccfiles/

CommonCriteriaDevelopersGuide_1_0.pdf

[12] Sikora, A.: Privacy and Trust Management in Safety-Related

Car2X Communication. In: B. Bhargava, S.M. Thampi,

P. Atrey (Hrsg.), Managing Trust in Cyberspace. CRC Press,

im Druck

64

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9 / 2013

auch gegen mechanische Angriffe geschützt ist. Vorgaben

zu einem solchen Trusted Platform Module (TPM) gibt es

im Allgemeinen von der Trusted Computing Group [9].

Die Vorgaben des BSI fordern ein nach Common Criteria

(CC) zertifiziertes Modul mit speziellen Vorgaben.

Als zentrale Komponente stellt das Sicherheitsmodul

die kryptografische Identität des Gateways sicher und

dient als Service Provider für kryptografische Operationen.

Ein solches zentrales Modul ist sinnvoll, weil es viele

sicherheitstechnische Probleme löst und damit hilft,

die anderen Systemelemente möglichst kostengünstig

auszugestalten. In Bezug auf die Übertragbarkeit auf die

Automatisierungstechnik ist allerdings darauf hinzuweisen,

dass in den Systemen des Smart Metering keine Redundanz

vorgesehen ist, sodass ein Single Point of Failure

in den notwendigen Erweiterungen vorzusehen ist.

Das Sicherheitsmodul stellt insbesondere Funktionen

zur Schlüsselgenerierung, zur Erzeugung und Verifikation

von Digitalen Signaturen und zur Schlüsselaushandlung

unter Nutzung von kryptografischen Verfahren mit elliptischen

Kurven (ECC) bereit. Weiterhin dient das Sicherheitsmodul

als zuverlässige Quelle für Zufallszahlen und

als sicherer Speicher von Schlüsseln und Zertifikaten. Es

unterstützt ferner einen authentisierten und gesicherten

Kanal zwischen dem Gateway und dem Sicherheitsmodul.

Die Implementierung des Gateways soll auf dem Evaluation

Assurance Level (EAL) 4+ der Common Criteria

erfolgen und wird dementsprechend überprüft. Diese

EAL stellt hohe Anforderung an die Organisation und

Struktur der Entwicklungsabläufe.

Die Hardware-Unterstützung durch das TPM ist auch

eine wichtige Voraussetzung für die Skalierbarkeit des

AUTOR

Prof. Dr.-Ing. AXEL SIKORA


Professor für Embedded

Design und Kommunikationselektronik

an der

Hochschule Offenburg.

Er beschäftigt sich

mit seinem Team mit der

Konzeption und Umsetzung

von sichereren und effizienten Embedded

Kommunikationslösungen vor allem für

industrielle Anwendungen.

Hochschule Offenburg,

Badstraße 24, D-77652 Offenburg,

Tel. +49 (0) 781 20 54 16,

E-Mail: axel.sikora@hs-offenburg.de

Gesamtsystems, da eine größere Zahl von Schlüsseln

sicher gespeichert und die Aushandlung dieser Schlüssel

effizient unterstützt werden kann. Die Erfahrung aus

der Car-to-Car-(C2C)-Kommunikation zeigt, dass sich mit

einer solchen Architektur potenziell sehr große und dynamische

Installationen umsetzen lassen [12].

3. KOSTEN UND NUTZEN

Es ist offensichtlich, dass die gesamten in Abschnitt 2

beschriebenen Maßnahmen zusätzliche Kosten hervorrufen.

Allerdings muss gleichzeitig das Vorurteil ausgeräumt

werden, dass Sicherheit nur Kosten, aber keinen

Nutzen hervorrufen würde. Klar ist, dass die Absicherung

eines Systems keine funktionale Erweiterung

darstellt.

Es ist aber ebenso akzeptiert, dass ein funktional sicherer

Betrieb (im Sinne von Safety) ohne Datensicherheit

(Security) nicht möglich ist. Können Funktionen durch

Netzwerk- oder Geräteangriffe manipuliert, im zeitlichen

Verhalten beeinflusst oder außer Betrieb gesetzt werden,

kann die Verfügbarkeit empfindlich eingeschränkt und

der sichere Betrieb nicht mehr garantiert werden.

Darüber hinaus ist die Nutzerakzeptanz ein wichtiges

Kriterium. Sie ist gefährdet, falls Sicherheitslücken bekannt

werden. Dies gilt im übergreifenden Fall einer

Akzeptanz durch die Bevölkerung für das Smart Metering

genauso wie im speziellen Fall der Investitionsentscheider

für automatisierungstechnische Anlagen. Auf

der Kostenseite sind die Total Cost of Ownership (TCOO)

während der gesamten Lebensdauer und damit Investionen

und Betriebsausgaben zu berücksichtigen.

FAZIT UND AUSBLICK

Mit den Schutzprofilen und den technischen Richtlinien

für die Anwendungen aus dem Smart Metering wurde

für eine limitierte Anwendung, die aufgrund ihres

öffentlichen Charakters ohnehin staatliche Vorgaben

erfüllen muss, eine zeitgemäße und weitreichende Sicherheitsarchitektur

entwickelt. Diese Architektur hält

Gegenmaßnahmen für viele Risiken bereit, die auch in

den sich stets weiter entwickelnden Netzwerken der

Automatisierungstechnik auftreten, dort aber bislang

selten so übergreifend und nachhaltig beantwortet wurden.

Deswegen ist zu hoffen, dass diese Sicherheitsarchitektur

auch für diese Anwendungen Vorbild für neuere

Entwicklungen sein wird. Die Gründe für diesen

Optimismus liegen zum einen in den immer höheren

Anforderungen der Automatisierungstechnik an die

Anlagensicherheit, die ohne Informationssicherheit

nicht zu erreichen ist, und zum anderen an den immer

geringer werdenden Kosten für die zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen.

MANUSKRIPTEINGANG

20.04.2013


atp edition

9 / 2013

65

IMPRESSUM / VORSCHAU

IMPRESSUM

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Praxis“ erscheint

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Praxis – rtp“ gegründet.

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ISSN 2190-4111

DIE AUSGABE 10 / 2013 DER

ERSCHEINT AM 09.10.2013

MIT DEM SCHWERPUNKT

„INTEGRATION VON FELDGERÄTEN“

Konfigurationsmanagement

im Anlagenlebenszyklus –

Effiziente Versionsverwaltung

von Komponenten

FDI-Spezifikation integriert

EDD und FDT – Teil 1:

Herausforderungen, Lösungsansätze

und erste Umsetzung

Selbsterklärende Geräte –

Abbildung semantischer

Information auf

Parameter mit EDD

AT-Geräteintegration im

Lebenszyklus – Bestandsaufnahme

und Ausblick

Aus aktuellem Anlass können sich die Themen

kurzfristig verändern.

LESERSERVICE

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leserservice@di-verlag.de

TELEFON:

+ 49 (0) 931 417 04 59

66

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9 / 2013

5. SIL-Sprechstunde

Funktionale Sicherheit

17. + 18.9.2013, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH

www.sil-sprechstunde.de

nicht nach

Schema F

Veranstaltungskonzept

Termin

Ort

Haben Sie Fragen zur Anwendung der Normen

IEC 61508, IEC 61511 oder VDI / VDE 2180? Sind Sie

gefordert, die eingetretenen Pfade zur Erlangung der

Sicherheit zu verlassen? Dann sind Sie hier richtig!

Reichen Sie Ihre Fragen rund um SIL ein. Diskutieren

Sie mit Experten über die aktuellen Themen der

Funktionalen Sicherheit am 17. und 18. September

2013 in Mannheim!

Dienstag, 17.09.2013

Veranstaltung (11:30 – 17:15 Uhr)

„Get-Together“ mit Abendessen (ab 18:00 Uhr)

Mittwoch, 18.09.2013

Veranstaltung (9:00 – 15:00 Uhr)

Pepperl+Fuchs GmbH

Lilienthalstr. 200

68307 Mannheim

Programm

Moderation: Anne Purschwitz

geb. Hütter, atp edition

SIL und Ex-Schutz (NE 138, VDI/VDE 2180 Bl. 6)

SIL von elektrotechnischen Komponenten (NE 142)

Diagnose durch automatisches Testen

Funktionale Sicherheit bei Nieder- &

Mittelspannungsschaltanlagen

Sicherheitstechnische Bewertung ohne

Probabilistik (50156)

PFD-Berechnung bei nichtkonstanten

Ausfallraten

Referenten

Thomas Gabriel, Bayer Technology Services GmbH

Dirk Hablawetz, BASF SE

Martin Herrmann, Infracor GmbH

Dr. Andreas Hildebrandt, Pepperl+Fuchs GmbH

Udo Hug, BImSchG § 29a Sachverständiger

Dr. Thomas Karte, Samson AG

Dr. Gerold Klotz-Engmann,

Endress+Hauser Messtechnik GmbH + Co. KG

Josef Kuboth, Landesamt für Natur, Umwelt und

Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen

Patrick Lerévérend, Pepperl+Fuchs GmbH

Dr. Bernd Schrörs, Bayer Technology Services

Heiko Schween, HIMA Paul Hildebrandt GmbH + Co KG

Peter Sieber, Bilfinger alpha msr GmbH

Johann Ströbl, TÜV Süd Industrie Service GmbH

Teilnahmegebühren

atp edition-Abonnenten 540 € zzgl. MwSt.

Firmenempfehlung 590 € zzgl. MwSt.

reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt.

Studenten kostenlos

(Universität, Fachhoch- / Duale Hochschule – Vorlage des

Studentenausweises bei der Anmeldung erforderlich)

Im Preis enthalten sind die Tagungsunterlagen

sowie die Verpflegung während der Veranstaltung

(inkl. gemeinsames Abendessen).

Anmeldung

Detaillierte Informationen zur Veranstaltung,

das vollständige Programm sowie die Online-

Anmeldung finden Sie im Internet unter



Anne Purschwitz geb. Hütter

Arnulfstraße 124

80636 München

Tel.: +49 (0) 89 203 53 66-58

Fax: +49 (0) 89 203 53 66-99

E-Mail: purschwitz@di-verlag.de


Pepperl+Fuchs GmbH

Sandra Achenbach

Lilienthalstraße 200

68307 Mannheim

Tel.: +49 (0) 621 776-2176

Fax: +49 (0) 621 776-1108

E-Mail: sachenbach@de.pepperl-fuchs.com

www.pepperl-fuchs.de

3. Feldbus-Sprechstunde

Feldbus in der

Prozessindustrie


www.feldbus-sprechstunde.de


Haben Sie Fragen zum Einsatz von Feldbussystemen in der

Prozessindustrie? Dann sind Sie hier richtig! Reichen Sie Ihre

Fragen zur Planung, Installation und Inbetriebnahme von

Feldbussen ein. Diskutieren Sie mit Experten Ihre aktuellen

Anliegen am 19. und 20. September 2013 in Mannheim!

Teilnahmegebühren

■ atp edition-Abonnenten 540 € zzgl. MwSt.

■ Firmenempfehlung 590 € zzgl. MwSt.

■ reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt.

■ Studenten kostenlos



Termin & Ort

Termin: Do., 19.9.2013 + Fr., 20.9.2013

Ort: Pepperl+Fuchs GmbH

Lilienthalstr. 200

68307 Mannheim

Programm & Anmeldung




www.feldbus-sprechstunde.de

4. Explosionsschutz-Sprechstunde

Explosionsschutz


www.explosionsschutz-sprechstunde.de


Haben Sie Fragen zur Umsetzung der Betriebssicherheitsverordnung

oder zur Anwendung der einschlägigen Normen zum

Explosionsschutz? Dann sind Sie hier richtig! Reichen Sie Ihre

Fragen rund um den Explosionsschutz ein. Diskutieren Sie mit

Experten Ihre aktuellen Themen am 18. und 19. November

2013 in Mannheim!

Termin & Ort

Termin: Mo., 18.11.2013 + Di., 19.11.2013

Ort: Pepperl+Fuchs GmbH

Lilienthalstr. 200

68307 Mannheim

Teilnahmegebühren

■ atp edition-Abonnenten 540 € zzgl. MwSt.

■ Firmenempfehlung 590 € zzgl. MwSt.

■ reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt.

■ Studenten kostenlos



100 € Frühbucherrabatt bei Buchung bis 8.10.2013

Programm & Anmeldung




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E-Mail: matos.feliz@di-verlag.de

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